Какие аномалии воды вам известны. Чем объясняется аномалия плотности воды

Простейшая, распространенная и одновременно самая загадочная, удивительное вещество на свете — вода. Переменная плотность, высокая теплоемкость и огромный поверхностное натяжение воды , ее способность к « памяти» и структурированности — все это аномальные свойства такой, казалось бы, простого вещества, как Н20.

Самое интересное, что жизнь существует благодаря аномальным свойствам воды, которые длительное время не удавалось объяснить с точки зрения законов физики и химии. Это связано с тем, что между молекулами воды существуют водородные связи. Поэтому в жидком состоянии вода не просто смесь молекул, а сложная и динамично переменная сеть из водных кластеров. Каждый отдельный кластер живет небольшое время, однако именно поведение кластеров влияет на структуру и свойства воды.

Вода имеет аномальные значения температуры замерзания и кипения, по сравнению с другими бинарными соединениями водорода. Если сравнить температуры плавления близких к воде соединений: H2S, Н2Те, H2Se, то можно предположить, что температура плавления Н20 должна быть между 90 и -120 ° С. Однако в действительности она составляет 0 ° С. Аналогично и температура кипения: для H2S равна -60,8 ° С, для H2Se -41,5 ° С, Н2Те -18 ° С. Несмотря на это, вода должна закипать не менее при +70 ° С, а она кипит при +100 ° С. Исходя из того, что температура плавления и кипения воды — аномальные свойства, можно сделать вывод, что в условиях нашей планеты жидкое и твердое состояния воды также аномальные. Нормальным должно быть только газовать и состояние.

Вам уже известно, что тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Как это ни парадоксально, но вода ведет себя иначе. При охлаждении от 100 ° С до -4 ° С вода сжимается, увеличивая свою плотность. При температуре +4 ° С имеет наибольшую плотность. Но при дальнейшем охлаждении до 0 ° С она начинает расширяться, а ее плотность уменьшается! При 0 ° С (температуре замерзания воды) вода переходит в твердое агрегатное состояние. Момент перехода сопровождается резким увеличением объема (примерно на 10%) и соответствующим уменьшением плотности. Свидетельством этого явления то, что лед плавает на поверхности воды. Все другие вещества (за исключением Висмута и Галлию) тонут в жидкостях, образовавшихся при их плавлении. Феноменальная переменная плотность воды позволяет рыбе жить в водоемах, замерзают: когда температура падает ниже -4 ° С, более холодная вода, как менее плотная, остается на поверхности и замерзает, а подо льдом сохраняется плюсовая температура.

Вода имеет аномально высокую теплоемкость в жидком состоянии. Теплоемкость воды в два раза больше теплоемкости пара, а теплоемкость пара равна теплоемкости… льда. Теплоемкость — это количество тепла, необходимого для повышения температуры на 1 ° С. При нагревании от 0 ° С до +35 ° С теплоемкость ее не увеличивается, а падает. При дальнейшем нагревании от +35 ° С до +100 ° С снова начинает расти. Температура тела живых организмов совпадает с наиболее низкими значениями теплоемкости воды.

Переохлаждение — способность воды охлаждаться до температур, ниже температуры ее замерзания, оставаясь жидкостью. Таким свойством обладает очень чистая вода, свободная от различных примесей, которые могли бы послужить центрами кристаллизации при ее замерзании.

Зависимость температуры замерзания воды от давления тоже совсем аномальная.

С повышением давления температура замерзания понижается, снижение составляет примерно 1 ° С на каждые 130 атмосфер. В других веществ, наоборот, с ростом давления температура замерзания повышается.

Вода имеет высокое поверхностное натяжение (только ртуть имеет больший показатель), Вода обладает высокой способностью к смачиванию — благодаря этому возможно явление капиллярности, то есть способности жидкости изменять уровень в трубках, узких каналах произвольной формы, пористых телах.

Удивительные свойства приобретает вода в нанотрубках, диаметр которых близок к 1 10’9 м: резко увеличивается ее вязкость и вода приобретает способность не замерзать при температурах, близких к абсолютному нулю. Молекулы воды в нанотрубках при температуре -23 ° С и давлении в 40 тыс., атмосфер самостоятельно выстраиваются в спиральные « лесенки», в том числе в двойные спирали, которые очень напоминают спиральную структуру ДНК,

Поверхность воды имеет отрицательный электрический потенциал, обусловленный накоплением гидроксильных ионов ОН -, Положительно заряженные ионы гидроксония Н30 + привлекаются к отрицательно заряженной поверхности воды, формируя двойной электрический слой.

Горячая вода замерзает быстрее холодной — это парадоксальное явление называется эффектом мемб. Сегодня наука еще не дала ему объяснение,

При -120 ° С с водой начинают происходить странные вещи: она становится тягучей, как патока, а при температуре ниже -135 ° С превращается в « стеклянную » воду — твердое вещество, в котором отсутствует кристаллическая структура.

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...

Аномалии физических и химических свойств воды

(характеристика аномально высокой информативности воды)

В периодической системе элементов Д.И. Менделеева кислород образует отдельную подгруппу. Входящие в нее кислород, сера, селен и теллур имеют много общего в физических и химических свойствах. Общность свойств прослеживается, как правило, и для однотипных соединений, образованных членами подгруппы. Однако для воды характерно отклонение от правил.

Из самых легких соединений подгруппы кислорода (а ими являются гидриды) вода – легчайшее. Физические характеристики гидридов, как и других типов химических соединений, определяются положением в таблице элементов соответствующей подгруппы. Так, чем легче элемент подгруппы, тем выше летучесть его гидрида. Поэтому в подгруппе кислорода самой высокой должна быть летучесть воды – гидрида кислорода. Это же свойство очень явственно проявляется и в способности воды «прилипать» ко многим предметам, то есть смачивать их.

При изучении этого явления установили, что все вещества, которые легко смачиваются водой (глина, песок, стекло, бумага и др.), непременно имеют в своем составе атомы кислорода. Для объяснения природы смачивания этот факт оказался ключевым: энергетически неуравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают возможность образовывать дополнительные водородные связи с «посторонними» атомами кислорода. Благодаря поверхностному натяжению и способности к смачиванию, вода может подниматься в узких вертикальных каналах на высоту большую чем та, которая допускается силой тяжести, то есть вода обладает свойством капиллярности.

Капиллярность играет важную роль во многих природных процессах, происходящих на Земле. Благодаря этому вода смачивает толщу почвы, лежащую значительно выше зеркала грунтовых вод и доставляет корням растений растворы питательных веществ. Капиллярностью обусловлено движение крови и тканевых жидкостей в живых организмах.

Но для воды характерны некоторые особенности ее свойств. Например, самыми высокими оказываются у воды как раз те характеристики, которые должны были бы быть самыми низкими: температуры кипения и замерзания, теплоты парообразования и плавления.

Температуры кипения и замерзания гидридов элементов кислородной подгруппы графически представлены на рис. 1.7. У самого тяжелого из гидридов
они отрицательны: выше 0°С это соединение газообразно. По мере перехода к гидридам более легким (
,
) температуры кипения и замерзания все более снижаются. Сохранись и далее эта закономерность, можно было бы ожидать, что вода должна кипеть при -70°С и замерзать при -90°C. В таком случае в земных условиях она никогда не могла бы существовать ни в твердом, ни в жидком состояниях. Единственно возможным было бы газообразное (парообразное) состояние. Но на графике зависимости критических температур для гидридов в функции их молекулярной массы существует неожиданно резкий подъем – температура кипения воды +100°С, замерзания – 0°C. Это наглядное преимущество ассоциативности – широкий температурный интервал существования, возможность осуществить все фазовые состояния в условиях нашей планеты.

Ассоциативность воды сказывается и на очень высокой удельной теплоте ее парообразования. Чтобы испарить воду, уже нагретую до 100°С, требуется вшестеро больше количества теплоты, чем для нагрева этой же массы воды на 80°С (от 20 до 100°С).

Каждую минуту миллион тонн воды гидросферы испаряется от солнечного нагрева. В результате в атмосферу постоянно поступает колоссальное количество теплоты, эквивалентное тому, которое бы вырабатывали 40 тысяч электростанций мощностью 1 млрд. киловатт каждая.

При плавлении льда немало энергии уходит на преодоление ассоциативных связей ледяных кристаллов, хотя и вшестеро меньше, чем при испарении воды. Молекулы
фактически остаются в той же среде, меняется лишь фазовое состояние воды.

Удельная теплота плавления льда более высокая, чем у многих веществ, она эквивалентна расходу количества теплоты при нагреве 1 г воды на 80°С (от 20 до 100°С). При замерзании воды соответствующее количество теплоты поступает в окружающую среду, при таянии льда – поглощается. Поэтому ледяные массы, в отличие от масс парообразной воды, являются своего рода поглотителями тепла в среде с плюсовой температурой.

Аномально высокие значения удельной теплоты парообразования воды и удельной теплоты плавления льда используются человеком в производственной деятельности. Знание природных особенностей этих физических характеристик иногда подсказывает смелые и эффективные технические решения. Так, воду широко применяют в производстве как удобный и доступный охладитель в самых разнообразных технологических процессах. После использования воду можно возвратить в природный водоем и заменить свежей порцией, а можно снова направить на производство, предварительно охладив в специальных устройствах – градирнях. На многих металлургических производствах в качестве охладителя используют не холодную воду, а кипяток. Охлаждение идет за счет использования теплоты парообразования – эффективность процесса повышается в несколько раз, к тому же отпадает надобность в сооружении громоздких градирен. Конечно, кипяток-охладитель используют там, где нужно охладить объекты, нагретые выше 100°C.

Широкое применение воды в качестве охладителя объясняется не только и не столько ее доступностью и дешевизной. Настоящую причину нужно тоже искать в ее физических особенностях. Оказывается, вода обладает еще одной замечательной способностью – высокой теплоемкостью. Поглощая огромное количество теплоты, сама вода существенно не нагревается. Удельная теплоемкость воды в пять раз выше, чем у песка, и почти в десять раз выше, чем у железа. Способность воды накапливать большие запасы тепловой энергии позволяет сглаживать резкие температурные колебания на земной поверхности в различные времена года и в разное время суток. Благодаря этому вода является основным регулятором теплового режима нашей планеты.

Интересно, что теплоемкость воды аномальна не только по своему значению. Удельная теплоемкость разная при различных температурах, причем характер температурного изменения удельной теплоемкости своеобразен: она снижается по мере увеличения температуры в интервале от 0 до 37°С, а при дальнейшем увеличении температуры – возрастает. Минимальное значение удельной теплоемкости воды обнаружено при температуре 36,79°С, что соответствует нормальной температура человеческого тела. Нормальная температура почти всех теплокровных живых организмов также находится вблизи этой точки.

Оказалось, что при этой температуре осуществляются и микрофазовые превращения в системе «жидкость – кристалл», то есть «вода – лед». Установлено, что при изменении температуры от 0 до 100°С вода последовательно проходит пять таких превращений. Назвали их микрофазовыми, так как протяженность кристаллов микроскопична, не более 0,2...0,3 нм. Температурные границы переходов – 0, 15, 30, 45, 60 и 100°С.

Температурная область жизни теплокровных животных находится в границах третьей фазы (30...45°С). Другие виды организмов приспособились к иным температурным интервалам. Например, рыбы, насекомые, почвенные бактерии размножаются при температурах, близких к середине второй фазы (23...25°С), эффективная температура весеннего пробуждения семян приходится на середину первой фазы (5...10°С).

Характерно, что явление прохождения удельной теплоемкости воды через минимум при температурном изменении обладает своеобразной симметрией: при отрицательных температурах также обнаружен минимум этой характеристики. Он приходится на – 20°С.

Если вода ниже 0°С сохраняет не замерзшее состояние, например, будучи мелкодисперсной, то около -20°С резко увеличивается ее теплоемкость. Это установили американские ученые, исследуя свойство водных эмульсий, образованных капельками воды диаметром около 5 микрон.

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.

Раздел I.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СКВАЖИН НА ВОДУ
Глава 1. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДЕ

Аномалии воды

В составе льда преобладают молекулы тригидроля, в составе водяного пара (при температуре свыше 100°С) - молекулы гидроля, а в капельно-жидкой воде - смесь гидроля, дигидроля и тригидроля, соотношения между которыми меняются с изменением температуры.

Особенностями структуры воды обусловлены ее следующие аномалии:

1) наибольшую плотность вода имеет при 4 °С, с понижением температуры до 0 °С или с повышением до 100 °С плотность ее уменьшается;

2) объем воды при замерзании увеличивается примерно на 10%, при этом твердая фаза становится легче жидкой;

3) вода обладает высокой удельной теплоемкостью, которая с повышением температуры до 40 °С уменьшается, а затем вновь увеличивается;

4) вода обладает весьма большой удельной внутренней энергией (318,8 Дж/кг);

5) вода замерзает при 0 °С, с увеличением давления температура замерзания понижается и достигает своего минимального значения (-22°С) при давлении 211,5 МПа;

6) вода обладает наибольшим удельным количеством теплоты (2156 Дж/кг) при температуре 100 °С;

7) вода обладает наиболее высокой диэлектрической проницаемостью при 20 °С;

8) вода обладает самым большим поверхностным натяжением по сравнению с другими жидкостями.

При взаимодействии со щелочами вода ведет себя, как кислота, а при взаимодействии с кислотами - как основание. В процессе реакции активных металлов и воды выделяется водород. Вода вызывает процесс обменного разложения (гидролиз), взаимодействуя с некоторыми солями.