あなたはどのような水の異常を知っていますか? 水密度の異常を説明するものは何ですか

世界で最も単純で、最も広く普及しており、同時に最も神秘的で驚くべき物質は水です。 可変密度、高い熱容量、および水の巨大な表面張力、その「記憶」能力と構造はすべて、H20 のような一見単​​純な物質の異常な特性です。

最も興味深いのは、水の異常な特性のおかげで生命が存在するということですが、これは長い間、物理法則と化学の法則の観点からは説明できませんでした。 これは水分子間に水素結合が存在するためです。 したがって、液体状態では、水は単なる分子の混合物ではなく、複雑で動的に変化する水クラスターのネットワークです。 個々のクラスターの生存期間は短いですが、水の構造と性質に影響を与えるのはクラスターの挙動です。

水は、他の二元水素化合物と比較して、異常な凝固温度と沸騰温度を持っています。 水に近い化合物の融点（H2S、H2Te、H2Se）を比較すると、H2O の融点は 90 ～ -120 °C であると想定できます。ただし、実際には 0 °C です。ポイントも同様です。H2Sの場合は-60.8°C、H2Seの場合は-41.5°C、H2Teは-18°Cです。それにもかかわらず、水は少なくとも+70°Cで沸騰する必要があり、+100°Cで沸騰します。これに基づいて、水の融点と沸点は異常な特性であるため、地球の条件下では、水の液体と固体の状態も異常であると結論付けることができます。 ガスと状態が正常なだけである必要があります。

物体が加熱されると膨張し、冷却されると収縮することはすでにご存知でしょう。 逆説的に見えるかもしれませんが、水は異なる振る舞いをします。 100°C から -4°C に冷却すると、水は収縮して密度が増加します。 +4°Cの温度では密度が最も高くなります。 しかし、さらに 0 °C まで冷却すると、膨張が始まり、密度が減少します。 0℃（水の氷点）では、水は凝集した固体状態になります。 移行の瞬間には、体積の急激な増加 (約 10%) と、それに対応する密度の減少が伴います。 この現象の証拠は、氷が水面に浮いていることです。 他のすべての物質 (ビスマスとガリウムを除く) は、溶融中に形成される液体に沈みます。 水の密度は驚異的に変化するため、魚は凍る水域でも生息できます。気温が-4°Cを下回ると、密度が低い冷たい水は表面に残って凍り、水面下では氷点以上の温度が保たれます。氷。

水は液体状態では異常に高い熱容量を持っています。 水の熱容量は水蒸気の熱容量の2倍であり、水蒸気の熱容量は氷の熱容量に等しい。 熱容量は、温度を1℃上げるのに必要な熱量です。0℃から+35℃に加熱すると、熱容量は増加せずに減少します。 +35°Cから+100°Cまでさらに加熱すると、再び成長し始めます。 生物の体温は水の熱容量の最低値と一致します。

過冷却とは、水が液体のままで凝固点以下の温度まで冷却される能力です。 この特性は、凍結時に結晶化中心として機能する可能性のあるさまざまな不純物を含まない、非常に純粋な水に備わっています。

水の凝固温度の圧力依存性も完全に異常です。

圧力が増加すると凝固点が低下し、その低下は 130 気圧ごとに約 1 ℃ になります。 逆に、他の物質では圧力が上昇すると凝固点が上昇します。

水は高い表面張力を持っています (水銀のみが高い値を持っています) 水は高い湿潤能力を持っています - このため、毛細管現象、つまり液体が管内のレベルを変える能力が発生する可能性があります。任意の形状のチャネル、または多孔質体。

水は、直径が 1 10'9 m に近いナノチューブで驚くべき特性を獲得します。その粘度は急激に増加し、水は絶対零度に近い温度でも凍らない能力を獲得します。 -23℃の温度と4万気圧の圧力下では、ナノチューブ内の水分子は独立して、DNAのらせん構造を彷彿とさせる二重らせんを含むらせん状の「はしご」を形成します。

水面は水酸イオンOH - の蓄積によりマイナス電位となり、プラスに帯電したヒドロニウムイオンH30 + がマイナスに帯電した水面に引き寄せられ、電気二重層が形成されます。

熱水は冷水よりも早く凍ります。この逆説的な現象は膜効果と呼ばれます。 今日、科学はまだそれを説明していませんが、

-120℃になると、水は不思議なことが起こり始めます。水は糖蜜のように粘稠になり、-135℃以下になると「ガラス」の水、つまり結晶構造を持たない固体物質に変わります。

7. 水の異常

化学的に純粋な水には、他の自然物体や化学類似物 (メンデレーエフ周期表の第 6 族元素の水素化物)、および他の液体とは明確に区別される多くの特性があります。 これらの特殊な性質は水の異常として知られています。

水、特にその水溶液を研究する科学者たちは、水には、私たちに生命と思考能力を与えてくれた女王陛下、水にのみ固有の異常な特性があると何度も何度も確信するようになりました。 私たちは、自然界、さまざまなテクノロジー、そして最終的には日常生活における水のこのような馴染みのある自然な特性が、ユニークで真似のできないものであるとは考えもしません。

密度

生物圏全体にとって、水の非常に重要な特徴は、凍結すると体積が減少するのではなく増加する能力です。 密度を下げる。 実際、液体が固体状態に変化すると、分子はより近くに配置され、物質自体の体積は減少して密度が高くなります。 はい、さまざまな液体のいずれにも当てはまりますが、水は当てはまりません。 ここで水は例外です。 冷却すると、水は最初は他の液体と同じように動作し、徐々に密度が濃くなり、体積が減少します。 この現象は+3.98℃まで観察されます。 その後、さらに温度が0℃まで下がると、すべての水が凍って体積が膨張します。 その結果、氷の比重は水より小さくなり、氷は浮きます。 もし氷が浮かずに沈んだ場合、すべての水域（川、湖、海）は底まで凍り、蒸発量は急激に減少し、すべての淡水動植物は死ぬでしょう。 地球上での生活は不可能になるでしょう。 水は地球上で氷が沈まない唯一の液体で、その体積は水の1/11です。

表面張力

丸い水の玉は非常に弾力性があるため、雨が降り、露が降ります。 露の滴を保持し、水たまりの水の表層を弾力性と比較的耐久性のあるものにするこの驚くべき力は何ですか?

受け皿に注がれた水面に鋼鉄の針を注意深く置くと、針は沈まないことが知られています。 しかし、金属の比重は水よりもはるかに大きいです。 水の分子は表面張力によって結合されているため、重力に打ち勝って毛細管を上昇することができます。 水のこの性質がなければ、地球上の生命も不可能でしょう。

熱容量

水ほど熱を吸収したり、環境に放出したりする物質は世界中にありません。 水の熱容量は鋼鉄の熱容量の 10 倍、水銀の 30 倍です。 地球上では水が熱を蓄えます。

海、海洋、陸地の表面からは年間 520,000 立方キロメートルの水が蒸発し、凝縮すると寒冷地や極地に多量の熱を放出します。

人間の体の70～90％は水分で構成されています。 体重から。 もし水が現在のような熱容量を持っていなかったら、温血生物や冷血生物の代謝は不可能でしょう。

水は、人体の温度である +37°C に相当する一種の「温度ピット」で最も簡単に加熱され、最も早く冷却されます。

水にはさらにいくつかの異常な性質があります。

水ほど貪欲にガスを吸収する液体はありません。 しかし、彼女はそれらを簡単に与えてしまうこともあります。 雨は大気中のすべての有毒ガスを溶解します。 水は強力な天然のフィルターであり、あらゆる有害な有毒ガスから大気を浄化します。 水のもう一つの驚くべき特性は、磁場にさらされると現れます。 磁気処理を受けた水は、塩の溶解度や化学反応の速度を変化させます。

しかし、水の最も驚くべき性質は、ほぼ普遍的な溶媒としての性質です。 そして、一部の物質がそれに溶けない場合、これは生命の進化において大きな役割を果たしたことになります。おそらく、生命が水生環境で出現し、発達したのは一次生体膜の疎水性のおかげです。

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驚くべき物質 - 水

水文学は、天然水、大気および岩石圏との相互作用、およびその中で起こる現象やプロセス (蒸発、凍結など) を研究する科学です。 水文学の研究の対象は、海洋のあらゆる種類の水圏水です。

水の物理的および化学的性質の異常

（水の情報量が異常に多い特徴）

元素の周期表では、D.I. メンデレーエフの酸素は別のサブグループを形成します。 含まれる酸素、硫黄、セレン、テルルには、物理​​的および化学的特性において多くの共通点があります。 特性の共通性は、原則として、サブグループのメンバーによって形成される同じタイプの化合物について追跡できます。 しかし、水はルールから逸脱するという特徴があります。

酸素サブグループの最も軽い化合物 (これらは水素化物です) の中で、水が最も軽いです。 他のタイプの化合物と同様に、水素化物の物理的特性は、対応するサブグループの元素の表内の位置によって決まります。 したがって、サブグループの元素が軽いほど、その水素化物の揮発性が高くなります。 したがって、酸素サブグループでは、水 (酸素水素化物) の揮発性が最も高くなるはずです。 これと同じ性質は、水が多くの物体に「くっつく」、つまり物体を濡らす能力に非常にはっきりと現れています。

この現象を研究すると、水に濡れやすいすべての物質 (粘土、砂、ガラス、紙など) には必ず酸素原子が含まれていることがわかりました。 湿潤の性質を説明するには、この事実が重要であることが判明しました。水の表面層のエネルギー的に不均衡な分子は、「外来の」酸素原子と追加の水素結合を形成することができます。 表面張力と湿潤能力により、水は狭い垂直チャネル内を重力によって許容される高さよりも高い高さまで上昇することができます。つまり、水には毛細管現象の性質があります。

毛細管現象は、地球上で起こる多くの自然現象において重要な役割を果たしています。 このおかげで、水は地下水面よりかなり上にある土壌層を濡らし、植物の根に栄養溶液を届けます。 毛細管現象は、生体内の血液と組織液の移動に関与しています。

しかし、水はその性質の特定の特徴によって特徴付けられます。 たとえば、水の最も高い特性は、沸騰温度と氷点温度、蒸発熱と融解など、最も低いはずの特性であることが判明します。

酸素サブグループの元素の水素化物の沸点と凝固点を図に示します。 1.7. 水素化物の中で最も重い
それらは負です。0°C を超えると、この化合物は気体になります。 より軽い水素化物に移行するにつれて（
,
）沸騰温度と氷点温度はますます低下しています。 このパターンが継続すると、水は -70 °C で沸騰し、-90 °C で凍結するはずであると予想されます。 この場合、地球上の条件下では固体状態でも液体状態でも存在することはできません。 唯一可能な状態は、気体 (蒸気) 状態です。 しかし、分子量の関数としての水素化物の臨界温度の依存性のグラフでは、予想外に急激な上昇が見られます。水の沸点は+100℃、凝固点は0℃です。 これは結合性の明らかな利点です。つまり、存在温度範囲が広く、地球の条件下ですべての相状態を実現できるということです。

水の会合性は、その蒸発時の非常に高い比熱にも影響します。 すでに100℃に加熱された水を蒸発させるには、同じ質量の水を80℃（20℃から100℃）加熱するよりも6倍の熱が必要です。

毎分、水圏にある 100 万トンの水が太陽熱によって蒸発します。 その結果、膨大な量の熱が常に大気中に放出されており、これはそれぞれ10億キロワットの容量を持つ4万基の発電所で生成される熱量に相当します。

氷が溶けるとき、氷の結晶の会合結合を克服するために多くのエネルギーが費やされますが、その量は水が蒸発するときの 6 分の 1 です。 分子
実際には同じ環境に留まり、水の相状態が変化するだけです。

氷の融解比熱は多くの物質よりも大きく、水1gを80℃（20℃から100℃）で加熱するときに消費する熱量に相当します。 水が凍結すると、対応する量の熱が環境に入り、氷が溶けると熱が吸収されます。 したがって、氷の塊は、蒸気状の水の塊とは異なり、正の温度の環境では一種の熱吸収体となります。

人間は、異常に高い値の水の蒸発比熱と氷の融解比熱を利用して産業活動を行っています。 これらの物理的特性の自然な特徴に関する知識は、大胆で効果的な技術的解決策を提案することがあります。 したがって、水は、さまざまな技術プロセスにおいて便利で手頃な価格の冷却剤として生産現場で広く使用されています。 使用後、水は自然の貯水池に戻して新しいものと交換することも、特別な装置である冷却塔で冷却した後、生産現場に戻すこともできます。 多くの冶金工場では、冷水ではなく沸騰水が冷却剤として使用されます。 冷却は気化熱を利用して行われます。プロセスの効率が数倍向上し、大型の冷却塔を建設する必要がありません。 もちろん、100℃以上の加熱物を冷却する必要がある場合には沸騰水冷却器が使用されます。

冷却剤として水が広く使用されている理由は、その入手しやすさと安さだけではありません。 本当の理由はその物理的特徴からも探る必要があります。 水には、高い熱容量というもう一つの注目すべき能力があることがわかりました。 大量の熱を吸収するため、水自体はあまり加熱されません。 水の比熱は砂の比熱の 5 倍、鉄の比熱のほぼ 10 倍です。 水には大量の熱エネルギーが蓄積されているため、一年のさまざまな時期や一日のさまざまな時間における地表の急激な温度変動を平準化することができます。 このおかげで、水は地球の熱状態の主な調節者です。

興味深いのは、水の熱容量がその値だけでなく異常であることです。 比熱容量は温度によって異なり、比熱容量の温度変化の性質は独特です。0℃から37℃の範囲では温度が上昇すると比熱容量は減少し、さらに温度が上昇すると比熱容量は増加します。 。 水の比熱容量の最小値は、人体の通常の温度に相当する36.79℃の温度で見つかりました。 ほぼすべての温血生物の平熱もこの温度に近いです。

この温度では、液晶系、つまり水と氷でもミクロ相転移が起こることが判明した。 温度が0℃から100℃まで変化すると、水はそのような変化を5回連続して受けることが確認されています。 結晶の長さが微視的であり、0.2...0.3 nm以下であるため、それらはミクロ相と呼ばれました。 遷移の温度制限は 0、15、30、45、60、および 100°C です。

温血動物の生存温度範囲は、第 3 段階の境界内 (30 ～ 45°C) です。 他の種類の生物は他の温度範囲に適応しています。 たとえば、魚、昆虫、土壌バクテリアは第 2 段階の中央に近い温度 (23 ～ 25°C) で繁殖し、種子の春の目覚めの有効温度は第 1 段階の中央 (5.25 ℃) です。 ..10℃）。

温度変化中に水の比熱容量が最小値を通過する現象には独特の対称性があることが特徴であり、負の温度でもこの特性の最小値が見られます。 -20℃まで下がります。

0℃以下の水が細かく分散したまま凍結しないと、-20℃付近で熱容量が急激に増加します。 アメリカの科学者は、直径約 5 ミクロンの水滴によって形成される水性エマルジョンの特性を研究することで、これを確立しました。

化学的に純粋な水には、他の自然物体や化学類似物 (メンデレーエフ周期表の第 6 族元素の水素化物)、および他の液体とは明確に区別される多くの特性があります。 これらの特殊な性質は水の異常として知られています。

水、特にその水溶液を研究する科学者たちは、水には、私たちに生命と思考能力を与えてくれた女王陛下、水にのみ固有の異常な特性があると何度も何度も確信するようになりました。 私たちは、自然界、さまざまなテクノロジー、そして最終的には日常生活における水のこのような馴染みのある自然な特性が、ユニークで真似のできないものであるとは考えもしません。

密度

生物圏全体にとって、水の非常に重要な特徴は、凍結すると体積が減少するのではなく増加する能力です。 密度を下げる。 実際、液体が固体状態に変化すると、分子はより近くに配置され、物質自体の体積は減少して密度が高くなります。 はい、さまざまな液体のいずれにも当てはまりますが、水は当てはまりません。 ここで水は例外です。 冷却すると、水は最初は他の液体と同じように動作し、徐々に密度が濃くなり、体積が減少します。 この現象は+3.98℃まで観察されます。 その後、さらに温度が0℃まで下がると、すべての水が凍って体積が膨張します。 その結果、氷の比重は水より小さくなり、氷は浮きます。 もし氷が浮かずに沈んだ場合、すべての水域（川、湖、海）は底まで凍り、蒸発量は急激に減少し、すべての淡水動植物は死ぬでしょう。 地球上での生活は不可能になるでしょう。 水は地球上で氷が沈まない唯一の液体で、その体積は水の1/11です。

表面張力

丸い水の玉は非常に弾力性があるため、雨が降り、露が降ります。 露の滴を保持し、水たまりの水の表層を弾力性と比較的耐久性のあるものにするこの驚くべき力は何ですか?

受け皿に注がれた水面に鋼鉄の針を注意深く置くと、針は沈まないことが知られています。 しかし、金属の比重は水よりもはるかに大きいです。 水の分子は表面張力によって結合されているため、重力に打ち勝って毛細管を上昇することができます。 水のこの性質がなければ、地球上の生命も不可能でしょう。

熱容量

水ほど熱を吸収したり、環境に放出したりする物質は世界中にありません。 水の熱容量は鋼鉄の熱容量の 10 倍、水銀の 30 倍です。 地球上では水が熱を蓄えます。

海、海洋、陸地の表面からは年間 520,000 立方キロメートルの水が蒸発し、凝縮すると寒冷地や極地に多量の熱を放出します。

人間の体の70～90％は水分で構成されています。 体重から。 もし水が現在のような熱容量を持っていなかったら、温血生物や冷血生物の代謝は不可能でしょう。

水は、人体の温度である +37°C に相当する一種の「温度ピット」で最も簡単に加熱され、最も早く冷却されます。

水にはさらにいくつかの異常な性質があります。

水ほど貪欲にガスを吸収する液体はありません。 しかし、彼女はそれらを簡単に与えてしまうこともあります。 雨は大気中のすべての有毒ガスを溶解します。 水は強力な天然のフィルターであり、あらゆる有害な有毒ガスから大気を浄化します。 水のもう一つの驚くべき特性は、磁場にさらされると現れます。 磁気処理を受けた水は、塩の溶解度や化学反応の速度を変化させます。

しかし、水の最も驚くべき性質は、ほぼ普遍的な溶媒としての性質です。 そして、一部の物質がそれに溶けない場合、これは生命の進化において大きな役割を果たしたことになります。おそらく、生命が水生環境で出現し、発達したのは一次生体膜の疎水性のおかげです。

セクション I.
水のための井戸の設計
第 1 章 水に関する情報

水の異常

氷の組成はトリヒドロール分子によって支配され、水蒸気の組成（100℃以上の温度）ではヒドロール分子、液滴状の水ではヒドロール、ジヒドロール、トリヒドロールの混合物であり、それらの比率は時間とともに変化します。温度。

次の異常は、水の構造の特殊性によって決まります。

1) 水は 4 °C で最大の密度を持ち、温度が 0 °C に低下するか、100 °C に上昇すると密度が減少します。

2) 凍結中の水の体積は約 10% 増加しますが、固相は液体よりも軽くなります。

3) 水の比熱容量は高く、温度が 40 °C まで上昇すると比熱容量は減少し、その後再び増加します。

4) 水は非常に高い比内部エネルギー (318.8 J/kg) を持っています。

5) 水は 0 °C で凍結し、圧力が増加すると凝固点が低下し、圧力 211.5 MPa で最小値 (-22 °C) に達します。

6) 水は、温度 100 °C で最大の比熱量 (2156 J/kg) を持ちます。

7) 水は 20 °C で誘電率が最も高くなります。

8) 水は他の液体と比べて表面張力が最も高くなります。

アルカリと相互作用すると、水は酸のように振る舞い、酸と相互作用すると塩基のように振る舞います。 活性金属と水の反応中に水素が放出されます。 水は、特定の塩と相互作用することによって交換分解 (加水分解) のプロセスを引き起こします。