Ποιες ανωμαλίες του νερού γνωρίζετε; Τι εξηγεί την ανωμαλία στην πυκνότητα του νερού

Η πιο απλή, διαδεδομένη και ταυτόχρονα η πιο μυστηριώδης, εκπληκτική ουσία στον κόσμο είναι το νερό. Μεταβλητή πυκνότητα, υψηλή θερμοχωρητικότητα και τεράστια επιφανειακή τάση του νερού, η ικανότητά του να «μνήμη» και η δομή του είναι όλες ανώμαλες ιδιότητες μιας τόσο φαινομενικά απλής ουσίας όπως το H20.

Το πιο ενδιαφέρον πράγμα είναι ότι η ζωή υπάρχει χάρη στις ανώμαλες ιδιότητες του νερού, οι οποίες για πολύ καιρό δεν μπορούσαν να εξηγηθούν από τη σκοπιά των νόμων της φυσικής και της χημείας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι υπάρχουν δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των μορίων του νερού. Επομένως, στην υγρή κατάσταση, το νερό δεν είναι απλώς ένα μείγμα μορίων, αλλά ένα σύνθετο και δυναμικά μεταβλητό δίκτυο συστάδων νερού. Κάθε μεμονωμένο σύμπλεγμα ζει για μικρό χρονικό διάστημα, αλλά είναι η συμπεριφορά των συστάδων που επηρεάζει τη δομή και τις ιδιότητες του νερού.

Το νερό έχει μη φυσιολογικές θερμοκρασίες πήξης και βρασμού σε σύγκριση με άλλες δυαδικές ενώσεις υδρογόνου. Εάν συγκρίνουμε τα σημεία τήξης των ενώσεων κοντά στο νερό: H2S, H2Te, H2Se, τότε μπορούμε να υποθέσουμε ότι το σημείο τήξης του H20 πρέπει να είναι μεταξύ 90 και -120 ° C. Ωστόσο, στην πραγματικότητα είναι 0 ° C. Ο βρασμός Το σημείο είναι παρόμοιο: για H2S είναι -60,8 ° C, για H2Se -41,5 ° C, H2Te -18 ° C. Παρόλα αυτά, το νερό πρέπει να βράζει τουλάχιστον στους +70 ° C και βράζει στους +100 ° C. σε αυτό, ότι τα σημεία τήξης και βρασμού του νερού είναι ανώμαλες ιδιότητες, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι υπό τις συνθήκες του πλανήτη μας, η υγρή και η στερεά κατάσταση του νερού είναι επίσης ανώμαλες. Θα πρέπει να είναι μόνο κανονικό σε αέριο και κατάσταση.

Γνωρίζετε ήδη ότι τα σώματα διαστέλλονται όταν θερμαίνονται και συστέλλονται όταν ψύχονται. Όσο παράδοξο κι αν φαίνεται, το νερό συμπεριφέρεται διαφορετικά. Όταν ψύχεται από τους 100°C στους -4°C, το νερό συστέλλεται, αυξάνοντας την πυκνότητά του. Σε θερμοκρασία +4 ° C έχει τη μεγαλύτερη πυκνότητα. Αλλά με περαιτέρω ψύξη στους 0 ° C, αρχίζει να διαστέλλεται και η πυκνότητά του μειώνεται! Στους 0 ° C (τη θερμοκρασία πήξης του νερού), το νερό μετατρέπεται σε στερεή κατάσταση συσσωμάτωσης. Η στιγμή της μετάβασης συνοδεύεται από απότομη αύξηση του όγκου (κατά περίπου 10%) και αντίστοιχη μείωση της πυκνότητας. Απόδειξη αυτού του φαινομένου είναι ότι ο πάγος επιπλέει στην επιφάνεια του νερού. Όλες οι άλλες ουσίες (με εξαίρεση το Βισμούθιο και το Γάλλιο) βυθίζονται στα υγρά που σχηματίζονται κατά την τήξη τους. Η εκπληκτική μεταβλητή πυκνότητα του νερού επιτρέπει στα ψάρια να ζουν σε υδάτινα σώματα που παγώνουν: όταν η θερμοκρασία πέσει κάτω από -4 ° C, το πιο κρύο νερό, λιγότερο πυκνό, παραμένει στην επιφάνεια και παγώνει και οι θερμοκρασίες πάνω από το μηδέν παραμένουν κάτω από πάγος.

Το νερό έχει ασυνήθιστα υψηλή θερμοχωρητικότητα στην υγρή του κατάσταση. Η θερμοχωρητικότητα του νερού είναι διπλάσια από τη θερμοχωρητικότητα του ατμού και η θερμοχωρητικότητα του ατμού είναι ίση με τη θερμοχωρητικότητα του... πάγου. Η θερμοχωρητικότητα είναι η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας κατά 1 ° C. Όταν θερμαίνεται από 0 ° C στους +35 ° C, η θερμοχωρητικότητα του δεν αυξάνεται, αλλά μειώνεται. Με περαιτέρω θέρμανση από +35 ° C έως +100 ° C αρχίζει να αναπτύσσεται ξανά. Η θερμοκρασία του σώματος των ζωντανών οργανισμών συμπίπτει με τις χαμηλότερες τιμές της θερμοχωρητικότητας του νερού.

Υπερψύξη είναι η ικανότητα του νερού να ψύχεται σε θερμοκρασίες κάτω από το σημείο πήξης του ενώ παραμένει υγρό. Αυτή η ιδιότητα διακατέχεται από πολύ καθαρό νερό, απαλλαγμένο από διάφορες ακαθαρσίες που θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως κέντρα κρυστάλλωσης όταν παγώνει.

Η εξάρτηση της θερμοκρασίας πήξης του νερού από την πίεση είναι επίσης εντελώς ανώμαλη.

Καθώς η πίεση αυξάνεται, το σημείο πήξης μειώνεται κατά προσέγγιση 1 ° C για κάθε 130 ατμόσφαιρες. Σε άλλες ουσίες, αντίθετα, με την αύξηση της πίεσης το σημείο πήξης αυξάνεται.

Το νερό έχει υψηλή επιφανειακή τάση (μόνο ο υδράργυρος έχει υψηλότερη τιμή - λόγω αυτού, το φαινόμενο της τριχοειδούς είναι δυνατό, δηλαδή η ικανότητα ενός υγρού να αλλάζει τη στάθμη στους σωλήνες, στενεύει). κανάλια αυθαίρετου σχήματος και πορώδη σώματα.

Το νερό αποκτά εκπληκτικές ιδιότητες σε νανοσωλήνες, η διάμετρος των οποίων είναι κοντά στο 1 10'9 m: το ιξώδες του αυξάνεται απότομα και το νερό αποκτά την ικανότητα να μην παγώνει σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Τα μόρια του νερού σε νανοσωλήνες σε θερμοκρασία -23 ° C και πίεση 40 χιλιάδων ατμοσφαιρών διατάσσονται ανεξάρτητα σε σπειροειδείς «σκάλες», συμπεριλαμβανομένων διπλών ελίκων, που θυμίζουν πολύ την ελικοειδή δομή του DNA,

Η επιφάνεια του νερού έχει αρνητικό ηλεκτρικό δυναμικό λόγω της συσσώρευσης ιόντων υδροξυλίου OH - Θετικά φορτισμένα ιόντα υδρονίου H30 + έλκονται στην αρνητικά φορτισμένη επιφάνεια του νερού, σχηματίζοντας ένα ηλεκτρικό διπλό στρώμα.

Το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο νερό - αυτό το παράδοξο φαινόμενο ονομάζεται φαινόμενο της μεμβράνης. Σήμερα η επιστήμη δεν έχει δώσει ακόμη μια εξήγηση για αυτό,

Στους -120 ° C, αρχίζουν να συμβαίνουν περίεργα πράγματα στο νερό: γίνεται παχύρρευστο, όπως η μελάσα, και σε θερμοκρασίες κάτω από -135 ° C μετατρέπεται σε «γυάλινο» νερό - μια στερεή ουσία που δεν έχει κρυσταλλική δομή.

7. Ανωμαλίες νερού

Το χημικά καθαρό νερό έχει μια σειρά από ιδιότητες που το διακρίνουν έντονα από άλλα φυσικά σώματα και χημικά ανάλογα (υδρίδια στοιχείων της ομάδας 6 του περιοδικού συστήματος Mendeleev) και από άλλα υγρά. Αυτές οι ειδικές ιδιότητες είναι γνωστές ως ανωμαλίες του νερού.

Μελετώντας το νερό και, ειδικά τα υδατικά διαλύματά του, οι επιστήμονες πείστηκαν ξανά και ξανά ότι το νερό έχει ανώμαλες - ανώμαλες ιδιότητες εγγενείς μόνο σε αυτό, την Αυτού Μεγαλειότητα - Νερό, που μας έδωσε Ζωή και ικανότητα σκέψης. Δεν υποψιαζόμαστε καν ότι τέτοιες οικείες και φυσικές ιδιότητες του νερού στη φύση, σε διάφορες τεχνολογίες και τέλος στην καθημερινότητά μας είναι μοναδικές και αμίμητες.

Πυκνότητα

Για ολόκληρη τη βιόσφαιρα, ένα εξαιρετικά σημαντικό χαρακτηριστικό του νερού είναι η ικανότητά του να αυξάνει αντί να μειώνει τον όγκο του όταν είναι παγωμένο, δηλ. μειώσει την πυκνότητα. Πράγματι, όταν οποιοδήποτε υγρό μετατρέπεται σε στερεή κατάσταση, τα μόρια βρίσκονται πιο κοντά μεταξύ τους και η ίδια η ουσία, μειώνοντας τον όγκο, γίνεται πιο πυκνή. Ναι, για οποιοδήποτε από τα πολύ διαφορετικά υγρά, αλλά όχι για νερό. Το νερό αποτελεί εξαίρεση εδώ. Κατά την ψύξη, το νερό αρχικά συμπεριφέρεται όπως τα άλλα υγρά: σταδιακά γίνεται πιο πυκνό, μειώνει τον όγκο του. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να παρατηρηθεί μέχρι +3,98°C. Στη συνέχεια, με περαιτέρω μείωση της θερμοκρασίας στους 0°C, όλο το νερό παγώνει και διαστέλλεται σε όγκο. Ως αποτέλεσμα, το ειδικό βάρος του πάγου γίνεται μικρότερο από το νερό και ο πάγος επιπλέει. Εάν ο πάγος δεν επέπλεε, αλλά βυθιζόταν, τότε όλα τα υδάτινα σώματα (ποτάμια, λίμνες, θάλασσες) θα παγώσουν στον πυθμένα, η εξάτμιση θα μειωνόταν απότομα και όλα τα ζώα και τα φυτά του γλυκού νερού θα πέθαιναν. Η ζωή στη Γη θα γινόταν αδύνατη. Το νερό είναι το μόνο υγρό στη Γη του οποίου ο πάγος δεν βυθίζεται λόγω του γεγονότος ότι ο όγκος του είναι 1/11 μεγαλύτερος από τον όγκο του νερού.

Επιφανειακή τάση

Λόγω του ότι οι στρογγυλές μπάλες νερού είναι πολύ ελαστικές, βρέχει και πέφτει δροσιά. Ποια είναι αυτή η εκπληκτική δύναμη που διατηρεί τις σταγόνες δροσιάς και κάνει το επιφανειακό στρώμα του νερού σε οποιαδήποτε λακκούβα ελαστικό και σχετικά ανθεκτικό;

Είναι γνωστό ότι εάν μια ατσάλινη βελόνα τοποθετηθεί προσεκτικά στην επιφάνεια του νερού που χύνεται σε ένα πιατάκι, η βελόνα δεν βυθίζεται. Όμως το ειδικό βάρος του μετάλλου είναι πολύ μεγαλύτερο από αυτό του νερού. Τα μόρια του νερού δεσμεύονται από τη δύναμη της επιφανειακής τάσης, η οποία τους επιτρέπει να ανεβαίνουν στα τριχοειδή αγγεία, ξεπερνώντας τη δύναμη της βαρύτητας. Χωρίς αυτή την ιδιότητα του νερού, η ζωή στη Γη θα ήταν επίσης αδύνατη.

Θερμοχωρητικότητα

Καμία ουσία στον κόσμο δεν απορροφά ή απελευθερώνει τόση θερμότητα στο περιβάλλον όσο το νερό. Η θερμοχωρητικότητα του νερού είναι 10 φορές μεγαλύτερη από τη θερμοχωρητικότητα του χάλυβα και 30 φορές μεγαλύτερη από τον υδράργυρο. Το νερό διατηρεί τη θερμότητα στη Γη.

Από την επιφάνεια των θαλασσών, των ωκεανών και της γης εξατμίζονται 520.000 κυβικά χιλιόμετρα νερού ετησίως, τα οποία, όταν συμπυκνωθούν, εκπέμπουν πολλή θερμότητα στις ψυχρές και πολικές περιοχές.

Το νερό στο ανθρώπινο σώμα αποτελεί το 70-90%. από το σωματικό βάρος. Αν το νερό δεν είχε τέτοια θερμική ικανότητα όπως τώρα, ο μεταβολισμός στους θερμόαιμους και ψυχρόαιμους οργανισμούς θα ήταν αδύνατος.

Το νερό θερμαίνεται πιο εύκολα και κρυώνει πιο γρήγορα σε ένα είδος «λάκκου θερμοκρασίας» που αντιστοιχεί στους +37°C, τη θερμοκρασία του ανθρώπινου σώματος.

Υπάρχουν πολλές ακόμη ανώμαλες ιδιότητες του νερού:

Κανένα υγρό δεν απορροφά αέρια τόσο άπληστα όσο το νερό. Αλλά και τα χαρίζει εύκολα. Η βροχή διαλύει όλα τα δηλητηριώδη αέρια της ατμόσφαιρας. Το νερό είναι το ισχυρό φυσικό του φίλτρο, που καθαρίζει την ατμόσφαιρα από όλα τα επιβλαβή και δηλητηριώδη αέρια. Μια άλλη εκπληκτική ιδιότητα του νερού εμφανίζεται όταν εκτίθεται σε μαγνητικό πεδίο. Το νερό που υποβάλλεται σε μαγνητική επεξεργασία αλλάζει τη διαλυτότητα των αλάτων και τον ρυθμό των χημικών αντιδράσεων.

Αλλά η πιο εκπληκτική ιδιότητα του νερού είναι η ιδιότητα ενός σχεδόν καθολικού διαλύτη. Και αν ορισμένες ουσίες δεν διαλύονται σε αυτό, τότε αυτό έπαιξε επίσης τεράστιο ρόλο στην εξέλιξη της ζωής: πιθανότατα, η ζωή οφείλει την εμφάνιση και την ανάπτυξή της στο υδάτινο περιβάλλον στις υδρόφοβες ιδιότητες των πρωτογενών βιολογικών μεμβρανών.

Νερό γνωστό και άγνωστο. Μνήμη νερού

Το βρωμιούχο νερό είναι ένα κορεσμένο διάλυμα Br2 σε νερό (3,5% κατά βάρος Br2). Το βρωμιούχο νερό είναι ένας οξειδωτικός παράγοντας, ένας παράγοντας βρωμίωσης στην αναλυτική χημεία. Το νερό αμμωνίας σχηματίζεται όταν το ακατέργαστο αέριο του φούρνου οπτάνθρακα έρχεται σε επαφή με το νερό...

Το νερό ως αντιδραστήριο και ως μέσο για μια χημική διεργασία (ανώμαλες ιδιότητες του νερού)

Ο ρόλος του νερού στη σύγχρονη επιστήμη και τεχνολογία είναι πολύ μεγάλος. Εδώ είναι μερικές μόνο από τις περιοχές όπου μπορεί να χρησιμοποιηθεί το νερό. 1. Στη γεωργία για το πότισμα φυτών και τη διατροφή των ζώων 2. Στη χημική βιομηχανία για την παραγωγή οξέων, βάσεων, οργανικών ουσιών. 3...

Νερό που δίνει ζωή

Το νερό είναι η πιο σημαντική χημική ένωση που καθορίζει την πιθανότητα ύπαρξης ζωής στη Γη. Η καθημερινή κατανάλωση πόσιμου νερού από ένα άτομο είναι κατά μέσο όρο περίπου 2 λίτρα...

Υδρογόνο - το καύσιμο του μέλλοντος

Το επόμενο πρόβλημα όπου επιβεβαιώθηκε η έλλειψη βαρύτητας ήταν το πρόβλημα της αποστράγγισης του νερού που σχηματίστηκε στην κυψέλη καυσίμου. Εάν δεν αφαιρεθεί, θα καλύψει το ηλεκτρόδιο με μια μεμβράνη και θα δυσκολέψει την πρόσβαση του αερίου σε αυτό...

Πληροφοριακή-δομική μνήμη νερού

Ένα μόριο νερού είναι ένα μικρό δίπολο που περιέχει θετικά και αρνητικά φορτία στους πόλους του. Δεδομένου ότι η μάζα και το φορτίο του πυρήνα του οξυγόνου είναι μεγαλύτερο από αυτό των πυρήνων του υδρογόνου, το νέφος ηλεκτρονίων έλκεται προς τον πυρήνα του οξυγόνου...

Προσδιορισμός της σκληρότητας του νερού με τη συμπλοκομετρική μέθοδο

Λόγω της ευρέως διαδεδομένης εμφάνισης του ασβεστίου, τα άλατά του βρίσκονται σχεδόν πάντα στο φυσικό νερό. Από τα φυσικά άλατα ασβεστίου, μόνο ο γύψος είναι κάπως διαλυτός στο νερό, ωστόσο, εάν το νερό περιέχει διοξείδιο του άνθρακα...

Υπολογισμός και επιλογή μονάδας εξάτμισης

Το Gv προσδιορίζεται από τη θερμική ισορροπία του συμπυκνωτή: Gv=W3(hbk-svtk)/cv(tk-tn), όπου hbk είναι η ενθαλπία του ατμού στο βαρομετρικό συμπυκνωτή. tн = 200С - αρχική θερμοκρασία του νερού ψύξης. Cv = 4...

Υπολογισμός και σχεδιασμός εγκατάστασης εξάτμισης διπλής επίδρασης

Ο ρυθμός ροής του νερού ψύξης GВ προσδιορίζεται από τη θερμική ισορροπία του συμπυκνωτή: , όπου IBК είναι η ενθαλπία του ατμού στο βαρομετρικό συμπυκνωτή, J? tн - αρχική θερμοκρασία νερού ψύξης, 0С...

Ροφητικός καθαρισμός νερού

Στην παραγωγή εγκαθίσταται ανάλογα με τις απαιτήσεις της τεχνολογικής διαδικασίας. Το νερό που χρησιμοποιείται στην παραγωγή...

Ροφητικός καθαρισμός νερού

Για την πρόληψη της ανάπτυξης βακτηριακής βιολογικής ρύπανσης σε εναλλάκτες θερμότητας, καθώς και σε αγωγούς, συνιστάται η περιοδική χρήση χλωρίωσης του νερού 3-4 φορές την ημέρα, κάθε περίοδος διάρκειας 40-60 λεπτών...

Ροφητικός καθαρισμός νερού

Ένας από τους πιο συνηθισμένους τύπους ρύθμισης του νερού είναι το μαλακτικό του. Η πρώτη βιομηχανική μέθοδος για την αφαίρεση των αλάτων σκληρότητας ήταν η σόδα-άσβεστος...

Θειικό ασβέστιο, ένυδρο κρύσταλλο και άνυδρο αλάτι

Καταπληκτική ουσία - νερό

Η υδρολογία είναι μια επιστήμη που μελετά τα φυσικά νερά, την αλληλεπίδρασή τους με την ατμόσφαιρα και τη λιθόσφαιρα, καθώς και τα φαινόμενα και τις διεργασίες που συμβαίνουν σε αυτά (εξάτμιση, πάγωμα κ.λπ.). Αντικείμενο της μελέτης της υδρολογίας είναι όλα τα είδη των υδάτων της υδρόσφαιρας στους ωκεανούς...

Ανωμαλίες στις φυσικές και χημικές ιδιότητες του νερού

(χαρακτηριστικό του ασυνήθιστα υψηλού περιεχομένου πληροφοριών του νερού)

Στον περιοδικό πίνακα στοιχείων Δ.Ι. Το οξυγόνο του Mendeleev σχηματίζει μια ξεχωριστή υποομάδα. Το οξυγόνο, το θείο, το σελήνιο και το τελλούριο που περιέχει έχουν πολλά κοινά στις φυσικές και χημικές τους ιδιότητες. Η κοινότητα των ιδιοτήτων μπορεί να εντοπιστεί, κατά κανόνα, για ενώσεις του ίδιου τύπου που σχηματίζονται από μέλη της υποομάδας. Ωστόσο, το νερό χαρακτηρίζεται από παρέκκλιση από τους κανόνες.

Από τις ελαφρύτερες ενώσεις της υποομάδας του οξυγόνου (και αυτές είναι υδρίδια), το νερό είναι το ελαφρύτερο. Τα φυσικά χαρακτηριστικά των υδριδίων, όπως και άλλων τύπων χημικών ενώσεων, καθορίζονται από τη θέση στον πίνακα στοιχείων της αντίστοιχης υποομάδας. Έτσι, όσο πιο ελαφρύ είναι το στοιχείο της υποομάδας, τόσο μεγαλύτερη είναι η πτητότητα του υδριδίου της. Επομένως, στην υποομάδα του οξυγόνου, η πτητότητα του νερού —υδρίδιο του οξυγόνου— θα πρέπει να είναι η υψηλότερη. Αυτή η ίδια ιδιότητα εκδηλώνεται πολύ καθαρά στην ικανότητα του νερού να «κολλάει» σε πολλά αντικείμενα, δηλαδή να τα βρέχει.

Κατά τη μελέτη αυτού του φαινομένου, διαπιστώθηκε ότι όλες οι ουσίες που διαβρέχονται εύκολα από το νερό (άργιλος, άμμος, γυαλί, χαρτί κ.λπ.) σίγουρα περιέχουν άτομα οξυγόνου. Για να εξηγηθεί η φύση της διαβροχής, αυτό το γεγονός αποδείχθηκε βασικό: ενεργειακά μη ισορροπημένα μόρια του επιφανειακού στρώματος του νερού είναι σε θέση να σχηματίσουν πρόσθετους δεσμούς υδρογόνου με «ξένα» άτομα οξυγόνου. Λόγω της επιφανειακής τάσης και της ικανότητας διαβροχής, το νερό μπορεί να ανέβει σε στενά κατακόρυφα κανάλια σε ύψος μεγαλύτερο από αυτό που επιτρέπει η βαρύτητα, δηλαδή το νερό έχει την ιδιότητα του τριχοειδούς.

Η τριχοειδής ικανότητα παίζει σημαντικό ρόλο σε πολλές φυσικές διεργασίες που συμβαίνουν στη Γη. Χάρη σε αυτό, το νερό βρέχει το στρώμα του εδάφους, το οποίο βρίσκεται σημαντικά πάνω από τον υπόγειο υδροφόρο ορίζοντα, και παρέχει θρεπτικά διαλύματα στις ρίζες των φυτών. Το τριχοειδές είναι υπεύθυνο για την κίνηση του αίματος και των υγρών των ιστών στους ζωντανούς οργανισμούς.

Αλλά το νερό χαρακτηρίζεται από ορισμένα χαρακτηριστικά των ιδιοτήτων του. Για παράδειγμα, τα υψηλότερα χαρακτηριστικά του νερού αποδεικνύονται ακριβώς εκείνα τα χαρακτηριστικά που θα έπρεπε να είναι τα χαμηλότερα: θερμοκρασίες βρασμού και κατάψυξης, θερμότητα εξάτμισης και τήξης.

Τα σημεία βρασμού και πήξης των υδριδίων των στοιχείων της υποομάδας του οξυγόνου παρουσιάζονται γραφικά στο Σχ. 1.7. Το βαρύτερο από τα υδρίδια
είναι αρνητικά: πάνω από 0°C αυτή η ένωση είναι αέρια. Καθώς προχωράμε σε ελαφρύτερα υδρίδια (
,
) οι θερμοκρασίες βρασμού και κατάψυξης μειώνονται ολοένα και περισσότερο. Εάν αυτό το μοτίβο συνέχιζε να επιμένει, θα περίμενε κανείς ότι το νερό θα βράζει στους -70°C και θα παγώνει στους -90°C. Σε αυτή την περίπτωση, υπό επίγειες συνθήκες δεν θα μπορούσε ποτέ να υπάρξει είτε σε στερεή είτε σε υγρή κατάσταση. Η μόνη δυνατή κατάσταση θα ήταν μια αέρια (ατμός). Αλλά στο γράφημα της εξάρτησης των κρίσιμων θερμοκρασιών για τα υδρίδια σε συνάρτηση με το μοριακό τους βάρος, υπάρχει μια απροσδόκητα απότομη άνοδος - το σημείο βρασμού του νερού είναι +100°C, το σημείο πήξης είναι 0°C. Αυτό είναι ένα σαφές πλεονέκτημα της συσχέτισης - ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών ύπαρξης, η ικανότητα να πραγματοποιούνται όλες οι καταστάσεις φάσης υπό τις συνθήκες του πλανήτη μας.

Η συσχέτιση του νερού επηρεάζει επίσης την πολύ υψηλή ειδική θερμότητα της εξάτμισης του. Για να εξατμιστεί το νερό που έχει ήδη θερμανθεί στους 100°C, απαιτείται έξι φορές περισσότερη θερμότητα από ό,τι για να θερμανθεί η ίδια μάζα νερού κατά 80°C (από 20 έως 100°C).

Κάθε λεπτό, ένα εκατομμύριο τόνοι νερού υδρόσφαιρας εξατμίζονται από την ηλιακή θέρμανση. Ως αποτέλεσμα, μια κολοσσιαία ποσότητα θερμότητας απελευθερώνεται συνεχώς στην ατμόσφαιρα, αντίστοιχη με αυτή που θα παρήγαγαν 40 χιλιάδες σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής ισχύος 1 δισεκατομμυρίου κιλοβάτ ο καθένας.

Όταν ο πάγος λιώνει, δαπανάται πολλή ενέργεια για να ξεπεραστούν οι συνειρμικοί δεσμοί των κρυστάλλων πάγου, αν και έξι φορές λιγότερη από ό,τι όταν το νερό εξατμίζεται. Μόρια
στην πραγματικότητα παραμένουν στο ίδιο περιβάλλον, αλλάζει μόνο η φάση φάσης του νερού.

Η ειδική θερμότητα σύντηξης του πάγου είναι υψηλότερη από αυτή πολλών ουσιών, είναι ισοδύναμη με την ποσότητα θερμότητας που καταναλώνεται όταν θερμαίνεται 1 g νερού κατά 80°C (από 20 έως 100°C). Όταν το νερό παγώνει, μια αντίστοιχη ποσότητα θερμότητας εισέρχεται στο περιβάλλον και όταν λιώνει ο πάγος, απορροφάται. Επομένως, οι μάζες πάγου, σε αντίθεση με τις μάζες ατμού νερού, είναι ένα είδος απορροφητή θερμότητας σε περιβάλλον με θετικές θερμοκρασίες.

Οι ασυνήθιστα υψηλές τιμές της ειδικής θερμότητας της εξάτμισης του νερού και της ειδικής θερμότητας τήξης του πάγου χρησιμοποιούνται από τον άνθρωπο σε βιομηχανικές δραστηριότητες. Η γνώση των φυσικών χαρακτηριστικών αυτών των φυσικών χαρακτηριστικών προτείνει μερικές φορές τολμηρές και αποτελεσματικές τεχνικές λύσεις. Έτσι, το νερό χρησιμοποιείται ευρέως στην παραγωγή ως βολικό και προσιτό ψυκτικό σε μια μεγάλη ποικιλία τεχνολογικών διαδικασιών. Μετά τη χρήση, το νερό μπορεί να επιστρέψει σε μια φυσική δεξαμενή και να αντικατασταθεί με μια φρέσκια μερίδα ή μπορεί να σταλεί πίσω στην παραγωγή, αφού κρυώσει σε ειδικές συσκευές - πύργους ψύξης. Σε πολλές μεταλλουργικές εγκαταστάσεις, ως ψυκτικό χρησιμοποιείται βραστό νερό και όχι κρύο νερό. Η ψύξη πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας τη θερμότητα της εξάτμισης - η αποτελεσματικότητα της διαδικασίας αυξάνεται αρκετές φορές και δεν χρειάζεται να κατασκευαστούν ογκώδεις πύργοι ψύξης. Φυσικά, ο ψύκτης βρασμού νερού χρησιμοποιείται όπου είναι απαραίτητο να ψύχονται αντικείμενα που θερμαίνονται πάνω από 100°C.

Η ευρεία χρήση του νερού ως ψυκτικού μέσου εξηγείται όχι μόνο και όχι τόσο από τη διαθεσιμότητα και τη φθηνότητα του. Ο πραγματικός λόγος πρέπει να αναζητηθεί και στα φυσικά του χαρακτηριστικά. Αποδεικνύεται ότι το νερό έχει μια άλλη αξιοσημείωτη ικανότητα - υψηλή θερμική ικανότητα. Απορροφώντας μια τεράστια ποσότητα θερμότητας, το ίδιο το νερό δεν θερμαίνεται σημαντικά. Η ειδική θερμότητα του νερού είναι πέντε φορές μεγαλύτερη από αυτή της άμμου και σχεδόν δέκα φορές μεγαλύτερη από αυτή του σιδήρου. Η ικανότητα του νερού να συσσωρεύει μεγάλα αποθέματα θερμικής ενέργειας καθιστά δυνατή την εξομάλυνση των απότομων διακυμάνσεων της θερμοκρασίας στην επιφάνεια της γης σε διαφορετικές εποχές του χρόνου και σε διαφορετικές ώρες της ημέρας. Χάρη σε αυτό, το νερό είναι ο κύριος ρυθμιστής του θερμικού καθεστώτος του πλανήτη μας.

Είναι ενδιαφέρον ότι η θερμοχωρητικότητα του νερού είναι ανώμαλη όχι μόνο στην τιμή της. Η ειδική θερμοχωρητικότητα είναι διαφορετική σε διαφορετικές θερμοκρασίες και η φύση της αλλαγής θερμοκρασίας στην ειδική θερμοχωρητικότητα είναι μοναδική: μειώνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία στην περιοχή από 0 έως 37°C και με περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνεται . Η ελάχιστη τιμή της ειδικής θερμοχωρητικότητας του νερού βρέθηκε σε θερμοκρασία 36,79 ° C, που αντιστοιχεί στην κανονική θερμοκρασία του ανθρώπινου σώματος. Η κανονική θερμοκρασία σχεδόν όλων των θερμόαιμων ζωντανών οργανισμών είναι επίσης κοντά σε αυτό το σημείο.

Αποδείχθηκε ότι σε αυτή τη θερμοκρασία, οι μετασχηματισμοί μικροφάσης λαμβάνουν χώρα και στο σύστημα «υγρού κρυστάλλου», δηλαδή «νερού-πάγου». Έχει διαπιστωθεί ότι όταν η θερμοκρασία αλλάζει από 0 σε 100°C, το νερό υφίσταται διαδοχικά πέντε τέτοιους μετασχηματισμούς. Ονομάστηκαν μικροφάση, αφού το μήκος των κρυστάλλων είναι μικροσκοπικό, όχι περισσότερο από 0,2...0,3 nm. Τα όρια θερμοκρασίας των μεταπτώσεων είναι 0, 15, 30, 45, 60 και 100°C.

Το εύρος θερμοκρασίας ζωής των θερμόαιμων ζώων είναι εντός των ορίων της τρίτης φάσης (30...45°C). Άλλοι τύποι οργανισμών έχουν προσαρμοστεί σε άλλες θερμοκρασίες. Για παράδειγμα, τα ψάρια, τα έντομα, τα βακτήρια του εδάφους αναπαράγονται σε θερμοκρασίες κοντά στη μέση της δεύτερης φάσης (23...25°C), η αποτελεσματική θερμοκρασία της ανοιξιάτικης αφύπνισης των σπόρων είναι στη μέση της πρώτης φάσης (5. ..10°C).

Είναι χαρακτηριστικό ότι το φαινόμενο της διέλευσης της ειδικής θερμοχωρητικότητας του νερού από ένα ελάχιστο κατά τη διάρκεια μιας αλλαγής θερμοκρασίας έχει μια ιδιόμορφη συμμετρία: σε αρνητικές θερμοκρασίες βρίσκεται επίσης ένα ελάχιστο αυτού του χαρακτηριστικού. Πέφτει στους – 20°C.

Εάν το νερό κάτω από τους 0°C παραμείνει μη παγωμένο, για παράδειγμα, διασκορπισμένο, τότε γύρω στους -20°C η θερμική του ικανότητα αυξάνεται απότομα. Αμερικανοί επιστήμονες το διαπίστωσαν αυτό μελετώντας τις ιδιότητες των υδατικών γαλακτωμάτων που σχηματίζονται από σταγονίδια νερού με διάμετρο περίπου 5 μικρά.

Το χημικά καθαρό νερό έχει μια σειρά από ιδιότητες που το διακρίνουν έντονα από άλλα φυσικά σώματα και χημικά ανάλογα (υδρίδια στοιχείων της ομάδας 6 του περιοδικού συστήματος Mendeleev) και από άλλα υγρά. Αυτές οι ειδικές ιδιότητες είναι γνωστές ως ανωμαλίες του νερού.

Μελετώντας το νερό και, ειδικά τα υδατικά διαλύματά του, οι επιστήμονες πείστηκαν ξανά και ξανά ότι το νερό έχει ανώμαλες - ανώμαλες ιδιότητες εγγενείς μόνο σε αυτό, την Αυτού Μεγαλειότητα - Νερό, που μας έδωσε Ζωή και ικανότητα σκέψης. Δεν υποψιαζόμαστε καν ότι τέτοιες οικείες και φυσικές ιδιότητες του νερού στη φύση, σε διάφορες τεχνολογίες και τέλος στην καθημερινότητά μας είναι μοναδικές και αμίμητες.

Πυκνότητα

Για ολόκληρη τη βιόσφαιρα, ένα εξαιρετικά σημαντικό χαρακτηριστικό του νερού είναι η ικανότητά του να αυξάνει αντί να μειώνει τον όγκο του όταν είναι παγωμένο, δηλ. μειώσει την πυκνότητα. Πράγματι, όταν οποιοδήποτε υγρό μετατρέπεται σε στερεή κατάσταση, τα μόρια βρίσκονται πιο κοντά μεταξύ τους και η ίδια η ουσία, μειώνοντας τον όγκο, γίνεται πιο πυκνή. Ναι, για οποιοδήποτε από τα πολύ διαφορετικά υγρά, αλλά όχι για νερό. Το νερό αποτελεί εξαίρεση εδώ. Κατά την ψύξη, το νερό αρχικά συμπεριφέρεται όπως τα άλλα υγρά: σταδιακά γίνεται πιο πυκνό, μειώνει τον όγκο του. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να παρατηρηθεί μέχρι +3,98°C. Στη συνέχεια, με περαιτέρω μείωση της θερμοκρασίας στους 0°C, όλο το νερό παγώνει και διαστέλλεται σε όγκο. Ως αποτέλεσμα, το ειδικό βάρος του πάγου γίνεται μικρότερο από το νερό και ο πάγος επιπλέει. Εάν ο πάγος δεν επέπλεε, αλλά βυθιζόταν, τότε όλα τα υδάτινα σώματα (ποτάμια, λίμνες, θάλασσες) θα παγώσουν στον πυθμένα, η εξάτμιση θα μειωνόταν απότομα και όλα τα ζώα και τα φυτά του γλυκού νερού θα πέθαιναν. Η ζωή στη Γη θα γινόταν αδύνατη. Το νερό είναι το μόνο υγρό στη Γη του οποίου ο πάγος δεν βυθίζεται λόγω του γεγονότος ότι ο όγκος του είναι 1/11 μεγαλύτερος από τον όγκο του νερού.

Επιφανειακή τάση

Λόγω του ότι οι στρογγυλές μπάλες νερού είναι πολύ ελαστικές, βρέχει και πέφτει δροσιά. Ποια είναι αυτή η εκπληκτική δύναμη που διατηρεί τις σταγόνες δροσιάς και κάνει το επιφανειακό στρώμα του νερού σε οποιαδήποτε λακκούβα ελαστικό και σχετικά ανθεκτικό;

Είναι γνωστό ότι εάν μια ατσάλινη βελόνα τοποθετηθεί προσεκτικά στην επιφάνεια του νερού που χύνεται σε ένα πιατάκι, η βελόνα δεν βυθίζεται. Όμως το ειδικό βάρος του μετάλλου είναι πολύ μεγαλύτερο από αυτό του νερού. Τα μόρια του νερού δεσμεύονται από τη δύναμη της επιφανειακής τάσης, η οποία τους επιτρέπει να ανεβαίνουν στα τριχοειδή αγγεία, ξεπερνώντας τη δύναμη της βαρύτητας. Χωρίς αυτή την ιδιότητα του νερού, η ζωή στη Γη θα ήταν επίσης αδύνατη.

Θερμοχωρητικότητα

Καμία ουσία στον κόσμο δεν απορροφά ή απελευθερώνει τόση θερμότητα στο περιβάλλον όσο το νερό. Η θερμοχωρητικότητα του νερού είναι 10 φορές μεγαλύτερη από τη θερμοχωρητικότητα του χάλυβα και 30 φορές μεγαλύτερη από τον υδράργυρο. Το νερό διατηρεί τη θερμότητα στη Γη.

Από την επιφάνεια των θαλασσών, των ωκεανών και της γης εξατμίζονται 520.000 κυβικά χιλιόμετρα νερού ετησίως, τα οποία, όταν συμπυκνωθούν, εκπέμπουν πολλή θερμότητα στις ψυχρές και πολικές περιοχές.

Το νερό στο ανθρώπινο σώμα αποτελεί το 70-90%. από το σωματικό βάρος. Αν το νερό δεν είχε τέτοια θερμική ικανότητα όπως τώρα, ο μεταβολισμός στους θερμόαιμους και ψυχρόαιμους οργανισμούς θα ήταν αδύνατος.

Το νερό θερμαίνεται πιο εύκολα και κρυώνει πιο γρήγορα σε ένα είδος «λάκκου θερμοκρασίας» που αντιστοιχεί στους +37°C, τη θερμοκρασία του ανθρώπινου σώματος.

Υπάρχουν πολλές ακόμη ανώμαλες ιδιότητες του νερού:

Κανένα υγρό δεν απορροφά αέρια τόσο άπληστα όσο το νερό. Αλλά και τα χαρίζει εύκολα. Η βροχή διαλύει όλα τα δηλητηριώδη αέρια της ατμόσφαιρας. Το νερό είναι το ισχυρό φυσικό του φίλτρο, που καθαρίζει την ατμόσφαιρα από όλα τα επιβλαβή και δηλητηριώδη αέρια. Μια άλλη εκπληκτική ιδιότητα του νερού εμφανίζεται όταν εκτίθεται σε μαγνητικό πεδίο. Το νερό που υποβάλλεται σε μαγνητική επεξεργασία αλλάζει τη διαλυτότητα των αλάτων και τον ρυθμό των χημικών αντιδράσεων.

Αλλά η πιο εκπληκτική ιδιότητα του νερού είναι η ιδιότητα ενός σχεδόν καθολικού διαλύτη. Και αν ορισμένες ουσίες δεν διαλύονται σε αυτό, τότε αυτό έπαιξε επίσης τεράστιο ρόλο στην εξέλιξη της ζωής: πιθανότατα, η ζωή οφείλει την εμφάνιση και την ανάπτυξή της στο υδάτινο περιβάλλον στις υδρόφοβες ιδιότητες των πρωτογενών βιολογικών μεμβρανών.

Ενότητα Ι.
ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΠΗΓΕΙΩΝ ΓΙΑ ΝΕΡΟ
Κεφάλαιο 1. ΜΕΡΙΚΕΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ ΓΙΑ ΤΟ ΝΕΡΟ

Ανωμαλίες νερού

Η σύνθεση του πάγου κυριαρχείται από μόρια τριυδρόλης, στη σύνθεση υδρατμών (σε θερμοκρασίες πάνω από 100°C) - μόρια υδρόλης και σε σταγονίδια-υγρό νερό - μείγμα υδρόλης, διυδρόλης και τριυδρόλης, οι αναλογίες μεταξύ των οποίων αλλάζουν με θερμοκρασία.

Οι ιδιαιτερότητες της δομής του νερού καθορίζουν τις ακόλουθες ανωμαλίες του:

1) το νερό έχει τη μεγαλύτερη πυκνότητα στους 4 °C, με μείωση της θερμοκρασίας στους 0 °C ή αύξηση στους 100 °C, η πυκνότητά του μειώνεται.

2) ο όγκος του νερού κατά την κατάψυξη αυξάνεται κατά περίπου 10%, ενώ η στερεά φάση γίνεται ελαφρύτερη από το υγρό.

3) το νερό έχει υψηλή ειδική θερμοχωρητικότητα, η οποία μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας στους 40 °C και στη συνέχεια αυξάνεται ξανά.

4) το νερό έχει πολύ υψηλή ειδική εσωτερική ενέργεια (318,8 J/kg).

5) το νερό παγώνει στους 0 °C, με την αύξηση της πίεσης το σημείο πήξης μειώνεται και φτάνει στην ελάχιστη τιμή του (-22 °C) σε πίεση 211,5 MPa.

6) Το νερό έχει τη μεγαλύτερη ειδική ποσότητα θερμότητας (2156 J/kg) σε θερμοκρασία 100 °C.

7) το νερό έχει την υψηλότερη διηλεκτρική σταθερά στους 20 °C.

8) το νερό έχει την υψηλότερη επιφανειακή τάση σε σύγκριση με άλλα υγρά.

Όταν αλληλεπιδρά με αλκάλια, το νερό συμπεριφέρεται σαν οξύ και όταν αλληλεπιδρά με οξέα συμπεριφέρεται σαν βάση. Κατά την αντίδραση ενεργών μετάλλων και νερού, απελευθερώνεται υδρογόνο. Το νερό προκαλεί μια διαδικασία αποσύνθεσης ανταλλαγής (υδρόλυση) αλληλεπιδρώντας με ορισμένα άλατα.