Які аномалії води вам відомі. Чим пояснюється аномалія густини води
Найпростіша, поширена і водночас найзагадковіша, найдивовижніша речовина на світі — вода. Змінна щільність, висока теплоємність і величезний поверхневий натяг води, її здатність до «пам'яті» та структурованості — все це аномальні властивості такої, начебто, простої речовини, як Н20.
Найцікавіше, що життя існує завдяки аномальним властивостям води, які тривалий час не вдавалося пояснити з погляду законів фізики та хімії. Це з тим, що між молекулами води існують водневі зв'язку. Тому в рідкому стані вода не просто суміш молекул, а складна та динамічно змінна мережа з водних кластерів. Кожен окремий кластер живе невеликий час, проте саме поведінка кластерів впливає на структуру та властивості води.
Вода має аномальні значення температури замерзання та кипіння, порівняно з іншими бінарними сполуками водню. Якщо порівняти температури плавлення близьких до води сполук: H2S, Н2Те, H2Se, то можна припустити, що температура плавлення Н20 повинна бути між 90 і -120°С. Однак насправді вона становить 0°С. Аналогічно і температура кипіння: для H2S дорівнює -60,8 ° С, для H2Se -41,5 ° С, Н2Те -18 ° С. Незважаючи на це, вода повинна закипати не менше при +70 ° С, а вона кипить при +100 ° С. Виходячи з того, що температура плавлення та кипіння води — аномальні властивості, можна зробити висновок, що в умовах нашої планети рідкий та твердий стан води також аномальний. Нормальним має бути лише газувати та стан.
Вам вже відомо, що при нагріванні тіла розширюються, а при охолодженні стискаються. Хоч як це парадоксально, але вода поводиться інакше. При охолодженні від 100 ° С до -4 ° С вода стискається, збільшуючи свою густину. За температури +4°С має найбільшу щільність. Але при подальшому охолодженні до 0°С вона починає розширюватись, а її щільність зменшується! При 0°С (температурі замерзання води) вода перетворюється на твердий агрегатний стан. Момент переходу супроводжується різким збільшенням обсягу (приблизно на 10%) та відповідним зменшенням густини. Свідченням цього явища є те, що лід плаває на поверхні води. Всі інші речовини (за винятком Вісмута та Галію) тонуть у рідинах, що утворилися при їх плавленні. Феноменальна змінна щільність води дозволяє рибі жити у водоймах, що замерзають: коли температура падає нижче -4°С, холодніша вода, як менш щільна, залишається на поверхні і замерзає, а під льодом зберігається плюсова температура.
Вода має аномально високу теплоємність у рідкому стані. Теплоємність води вдвічі більша за теплоємність пари, а теплоємність пари дорівнює теплоємності… льоду. Теплоємність - це кількість тепла, необхідного для підвищення температури на 1 ° С. При нагріванні від 0 ° С до +35 ° С теплоємність її не збільшується, а падає. При подальшому нагріванні від +35°С до +100°С знову починає зростати. Температура тіла живих організмів збігається із найнижчими значеннями теплоємності води.
Переохолодження - здатність води охолоджуватися до температур нижче температури її замерзання, залишаючись рідиною. Така властивість має дуже чисту воду, вільну від різних домішок, які могли б послужити центрами кристалізації при її замерзанні.
Залежність температури замерзання води від тиску теж дуже аномальна.
З підвищенням тиску температура замерзання знижується, зниження становить приблизно 1°С на кожні 130 атмосфер. В інших речовинах, навпаки, зі зростанням тиску температура замерзання підвищується.
Вода має високий поверхневий натяг (тільки ртуть має більший показник), Вода має високу здатність до змочування — завдяки цьому можливе явище капілярності, тобто здатність рідини змінювати рівень у трубках, вузьких каналах довільної форми, пористих тілах.
Дивовижні властивості набуває вода в нанотрубках, діаметр яких близький до 1109 м: різко збільшується її в'язкість і вода набуває здатності не замерзати при температурах, близьких до абсолютного нуля. Молекули води в нанотрубках при температурі -23°С та тиску в 40 тис., атмосфер самостійно вишиковуються у спіральні «драбинки», у тому числі в подвійні спіралі, які дуже нагадують спіральну структуру ДНК,
Поверхня води має негативний електричний потенціал, обумовлений накопиченням гідроксильних іонів ВІН -, Позитивно заряджені іони гідроксонію Н30+ залучаються до негативно зарядженої поверхні води, формуючи подвійний електричний шар.
Гаряча вода замерзає швидше за холодну — це парадоксальне явище називається ефектом мемб. Сьогодні наука ще не дала йому пояснення,
При -120 ° С з водою починають відбуватися дивні речі: вона стає тягучою, як патока, а при температурі нижче -135 ° С перетворюється на "скляну" воду - тверда речовина, в якій відсутня кристалічна структура.
7. Аномалії води
Хімічно чиста вода має ряд властивостей, що різко відрізняють її від інших природних тіл і хімічних аналогів (гідридів елементів 6 групи періодичної системи Менделєєва) та інших рідин. Ці особливі властивості відомі за назвою аномалії води.
Досліджуючи воду і, особливо її водні розчини, вчені щоразу переконувалися, що вода має ненормальні - аномальні властивості, властиві тільки їй, її Величність - Воду, що подарувала нам Життя і можливість мислити. Ми навіть не підозрюємо, що такі звичні та природні властивості води в природі, у різних технологіях, нарешті, у повсякденному житті нашому є унікальними та неповторними.
густина
Для всієї біосфери виключно важливою особливістю води є її здатність при замерзанні збільшувати, а чи не зменшувати свій обсяг, тобто. зменшувати густину. Дійсно, при переході будь-якої рідини в твердий стан молекули розташовуються вже, а сама речовина, зменшуючись в обсязі, стає щільнішою. Так, для будь-якої з неоглядно різних рідин, але не води. Вода тут є винятком. При охолодженні вода спочатку веде себе як інші рідини: поступово ущільнюючись, зменшує свій обсяг. Таке явище можна спостерігати до 3,98°С. Потім, при подальшому зниженні температури до 0°С, вода замерзає і розширюється в обсязі. В результаті питома вага льоду стає меншою за воду і лід плаває. Якби лід не спливав, а тонув, то всі водоймища (річки, озера, моря) промерзли б до дна, випаровування різко скоротилося, всі прісноводні тварини і рослини загинули б. Життя на Землі стало б неможливим. Вода - єдина рідина на Землі, лід якої не тоне за рахунок того, що його об'єм на 1/11 більший за об'єм води.
Поверхневий натяг
Завдяки тому, що круглі кульки води дуже пружні, йде дощ, випадає роса. Що ж це за дивовижна сила, яка зберігає краплі роси, а поверхневий шар води у будь-якій калюжці робить еластичним та відносно міцним?
Відомо, що якщо сталеву голку обережно покласти на поверхню води, налитої в блюдце, голка не тоне. Адже питома маса металу значно більша, ніж у води. Молекули води пов'язані силою поверхневого натягу, що дозволяє їм підніматися нагору по капілярах, долаючи силу земного тяжіння. Без цієї властивості води життя на Землі було б також неможливим.
Теплоємність
Жодна речовина у світі не поглинає та не віддає середовищі стільки тепла, скільки вода. Теплоємність води в 10 разів більша за теплоємність сталі і в 30 разів більша за ртуті. Вода зберігає тепло Землі.
З поверхні морів, океанів, суші випаровується за рік 520 000 кубічних кілометрів води, які, конденсуючись, віддають багато тепла холодним і полярним регіонам.
Вода в організмі людини складає 70-90%. від ваги тіла. Не володій водою такою теплоємністю, як зараз, обмін речовин у теплокровних і холоднокровних організмах був би неможливий.
Найлегше вода нагрівається і найшвидше охолоджується у своєрідній "температурній ямі", що відповідає +37°С, температурі людського тіла.
Є ще кілька аномальних властивостей води:
Жодна рідина не поглинає гази з такою жадібністю, як вода. Але вона їх також легко віддає. Дощ розчиняє у собі отруйні гази атмосфери. Вода - її потужний природний фільтр, що очищає атмосферу від усіх шкідливих та отруйних газів. Ще одна дивовижна властивість води проявляється при дії на неї магнітного поля. Вода, піддана магнітній обробці, змінює розчинність солей та швидкість хімічних реакцій.
Але найдивовижніша властивість води - це властивість практично універсального розчинника. І якщо якісь речовини в ній не розчиняються, то і це для життя відіграло величезну роль в еволюції: швидше за все саме гідрофобним властивостям первинних біологічних мембран і зобов'язане життя своєю появою та розвитком у водному середовищі.
Вода відома та невідома. Пам'ять води
Бромна вода - насичений розчин Br2 у воді (3,5% за масою Br2). Бромова вода - окислювач, бромуючий агент в аналітичній хімії. Аміачна вода - утворюється при контакті сирого коксового газу з водою.
Вода як реагент та як середовище для хімічного процесу (аномальні властивості води)
Роль води в нинішній науці та техніці дуже велика. Ось лише частина областей застосування води. 1. У сільському господарстві для поливу рослин та харчування тварин 2. У хімічній промисловості для отримання кислот, основ, органічних речовин. 3...
Вода, що дарує життя
Вода є найважливішою хімічною сполукою, що визначає можливість існування життя на Землі. Щоденне споживання людиною питної води становить у середньому близько 2 л.
Водень - паливо майбутнього
Наступною проблемою, де невагомість знову заявила про себе, стала проблема відведення води, що утворюється в паливному елементі. Якщо її не видаляти, вона покриє електрод плівкою і ускладнить доступ до газу для нього.
Інформаційно-структурна пам'ять води
Молекула води є маленьким дипольом, що містить позитивний і негативний заряди на полюсах. Так як маса і заряд ядра кисню більше ніж у ядер водню, то електронна хмара стягується у бік кисневого ядра.
Визначення жорсткості води комплексонометричним методом
Зважаючи на широку поширеність кальцію, солі його майже завжди містяться в природній воді. З природних солей кальцію тільки гіпс дещо розчинний у воді, проте, якщо вода містить діоксид вуглецю.
Розрахунок та підбір випарної установки
Gв визначають з теплового балансу конденсатора: Gв=W3(hбк-cвtк)/cв(tk-tн), де hбк - ентальпія парів у барометричному конденсаторі; tн = 200С - початкова температура води, що охолоджує; Cв = 4...
Розрахунок та проектування двокорпусної випарної установки
Витрата охолодної води GВ визначають з теплового балансу конденсатора: , де IБК - ентальпія парів у барометричному конденсаторі, Дж?кг; tн - початкова температура охолоджувальної води, 0С.
Сорбційне очищення води
У виробництві встановлюється залежно вимог технологічного процесу. Вода, що використовується у виробництві...
Сорбційне очищення води
Для запобігання розвитку бактеріальних біологічних обростань у теплообмінних апаратах, а також у трубопроводах рекомендується періодично 3-4 рази на добу застосовувати хлорування води, тривалістю кожного періоду 40-60 хвилин.
Сорбційне очищення води
Одним із найпоширеніших видів кондикування води є її пом'якшення. Першим промисловим способом усунення солей жорсткості був содово-вапняний.
Сульфат кальцію, кристалогідрат і безводна сіль
Дивовижна речовина - вода
Гідроломгія - наука, що вивчає природні води, їх взаємодія з атмосферою та літосферою, а також явища та процеси, що в них протікають (випаровування, замерзання тощо). Предметом вивчення гідрології є всі види вод гідросфери в океанах.
Аномалії фізичних та хімічних властивостей води
(Характеристика аномально високої інформативності води)
У періодичній системі елементів Д.І. Менделєєва кисень утворює окрему підгрупу. Вхідні кисень, сірка, селен і телур мають багато спільного у фізичних і хімічних властивостях. Спільність властивостей простежується, зазвичай, й у однотипних сполук, утворених членами підгрупи. Однак для води характерне відхилення від правил.
З найлегших сполук підгрупи кисню (а ними є гідриди) вода є найлегшою. Фізичні характеристики гідридів, як та інших типів хімічних сполук, визначаються положенням таблиці елементів відповідної підгрупи. Так, що легший елемент підгрупи, то вище леткість його гідриду. Тому в підгрупі кисню найвищою має бути леткість води – гідриду кисню. Ця ж властивість дуже виразно проявляється і в здатності води «прилипати» до багатьох предметів, тобто змочувати їх.
Під час вивчення цього явища встановили, що це речовини, які легко змочуються водою (глина, пісок, скло, папір та інших.), неодмінно мають у своєму складі атоми кисню. Для пояснення природи змочування цей факт виявився ключовим: енергетично неврівноважені молекули поверхневого шару води набувають можливості утворювати додаткові водневі зв'язки із «сторонніми» атомами кисню. Завдяки поверхневому натягу та здатності до змочування, вода може підніматися у вузьких вертикальних каналах на висоту більшу ніж та, яка допускається силою тяжіння, тобто вода має властивість капілярності.
Капілярність відіграє у багатьох природних процесах, що відбуваються Землі. Завдяки цьому вода змочує товщу ґрунту, що лежить значно вище за дзеркала ґрунтових вод і доставляє корінням рослин розчини поживних речовин. Капілярністю обумовлено рух крові та тканинних рідин у живих організмах.
Але для води характерні деякі особливості її властивостей. Наприклад, найвищими виявляються у води якраз ті характеристики, які мали б бути найнижчими: температури кипіння та замерзання, теплоти пароутворення та плавлення.
Температури кипіння та замерзання гідридів елементів кисневої підгрупи графічно представлені на рис. 1.7. У найважчого з гідридів 
вони негативні: вище 0°З це з'єднання газоподібне. У міру переходу до гідридів легшим ( 
,
) температури кипіння та замерзання все більше знижуються. Збережися й надалі ця закономірність, можна було б очікувати, що вода повинна кипіти при -70°С і замерзати при -90°C. У такому разі в земних умовах вона ніколи не могла б існувати ні в твердому, ні в рідкому стані. Єдино можливим було б газоподібний (пароподібний) стан. Але на графіку залежності критичних температур для гідридів у функції їхньої молекулярної маси існує несподівано різкий підйом – температура кипіння води +100°С, замерзання – 0°C. Ця наочна перевага асоціативності – широкий температурний інтервал існування, можливість здійснити всі фазові стани за умов нашої планети.
Асоціативність води позначається і на дуже високій питомій теплоті її пароутворення. Щоб випарувати воду, вже нагріту до 100 ° С, потрібно вшестеро більше кількості теплоти, ніж для нагрівання цієї маси води на 80 ° С (від 20 до 100 ° С).
Щохвилини мільйон тонн води гідросфери випаровується від сонячного нагріву. В результаті в атмосферу постійно надходить колосальна кількість теплоти, еквівалентна тому, яке виробляли б 40 тисяч електростанцій потужністю 1 млрд. кіловат кожна.
При плавленні льоду чимало енергії йде на подолання асоціативних зв'язків крижаних кристалів, хоч і вшестеро менше, ніж при випаровуванні води. Молекули 
Практично залишаються у тому середовищі, змінюється лише фазовий стан води.
Питома теплота плавлення льоду більша, ніж у багатьох речовин, вона еквівалентна витраті кількості теплоти при нагріванні 1 г води на 80°С (від 20 до 100°С). При замерзанні води відповідна кількість теплоти надходить у навколишнє середовище, при таненні льоду – поглинається. Тому крижані маси, на відміну мас пароподібної води, є свого роду поглиначами тепла серед із плюсовою температурою.
Аномально високі значення питомої теплоти пароутворення води та питомої теплоти плавлення льоду використовуються людиною у виробничій діяльності. Знання природних особливостей цих фізичних характеристик іноді нагадує сміливі та ефективні технічні рішення. Так, воду широко застосовують у виробництві як зручний та доступний охолоджувач у найрізноманітніших технологічних процесах. Після використання воду можна повернути в природну водойму і замінити на свіжу порцію, а можна знову направити на виробництво, попередньо охолодивши в спеціальних пристроях – градирнях. На багатьох металургійних виробництвах як охолоджувач використовують не холодну воду, а окріп. Охолодження йде за рахунок використання теплоти пароутворення – ефективність процесу підвищується в кілька разів, до того ж відпадає потреба у спорудженні громіздких градирень. Звичайно, окріп-охолоджувач використовують там, де потрібно охолодити об'єкти, нагріті вище 100°C.
Широке застосування води як охолоджувач пояснюється не тільки і не стільки її доступністю і дешевизною. Справжню причину потрібно також шукати у її фізичних особливостях. Виявляється, вода має ще одну чудову здатність - високу теплоємність. Поглинаючи безліч теплоти, сама вода значно не нагрівається. Питома теплоємність води у п'ять разів вища, ніж у піску, і майже в десять разів вища, ніж у заліза. Здатність води накопичувати великі запаси теплової енергії дозволяє згладжувати різкі температурні коливання на земній поверхні у різні пори року та у різний час доби. Завдяки цьому вода є основним регулятором теплового режиму нашої планети.
Цікаво, що теплоємність води аномальна не лише за своїм значенням. Питома теплоємність різна за різних температур, причому характер температурного зміни питомої теплоємності своєрідний: вона знижується у міру збільшення температури в інтервалі від 0 до 37 ° С, а при подальшому збільшенні температури - зростає. Мінімальне значення питомої теплоємності води виявлено за нормальної температури 36,79°З, що відповідає нормальної температура людського тіла. Нормальна температура багатьох теплокровних живих організмів також знаходиться поблизу цієї точки.
Виявилося, що за цієї температури здійснюються і мікрофазові перетворення у системі «рідина – кристал», тобто «вода – лід». Встановлено, що за зміни температури від 0 до 100°С вода послідовно проходить п'ять таких перетворень. Назвали їх мікрофазовими, оскільки протяжність кристалів мікроскопічна, трохи більше 0,2...0,3 нм. Температурні межі переходів – 0, 15, 30, 45, 60 та 100°С.
Температурна сфера життя теплокровних тварин перебуває у межах третьої фази (30...45°С). Інші види організмів пристосувалися до інших температурних інтервалів. Наприклад, риби, комахи, ґрунтові бактерії розмножуються при температурах, близьких до середини другої фази (23...25°С), ефективна температура весняного пробудження насіння посідає середину першої фази (5...10°С).
Характерно, що явище проходження питомої теплоємності води через мінімум при температурній зміні має своєрідну симетрію: при негативних температурах також виявлено мінімум цієї характеристики. Він посідає – 20°С.
Якщо вода нижче 0°С зберігає стан, що не замерз, наприклад, будучи дрібнодисперсною, то близько -20°С різко збільшується її теплоємність. Це встановили американські вчені, досліджуючи властивість водних емульсій, утворених крапельками води діаметром близько п'яти мікрон.
Хімічно чиста вода має ряд властивостей, що різко відрізняють її від інших природних тіл і хімічних аналогів (гідридів елементів 6 групи періодичної системи Менделєєва) та інших рідин. Ці особливі властивості відомі за назвою аномалії води.
Досліджуючи воду і, особливо її водні розчини, вчені щоразу переконувалися, що вода має ненормальні - аномальні властивості, властиві тільки їй, її Величність - Воду, що подарувала нам Життя і можливість мислити. Ми навіть не підозрюємо, що такі звичні та природні властивості води в природі, у різних технологіях, нарешті, у повсякденному житті нашому є унікальними та неповторними.
густина
Для всієї біосфери виключно важливою особливістю води є її здатність при замерзанні збільшувати, а чи не зменшувати свій обсяг, тобто. зменшувати густину. Дійсно, при переході будь-якої рідини в твердий стан молекули розташовуються вже, а сама речовина, зменшуючись в обсязі, стає щільнішою. Так, для будь-якої з неоглядно різних рідин, але не води. Вода тут є винятком. При охолодженні вода спочатку веде себе як інші рідини: поступово ущільнюючись, зменшує свій обсяг. Таке явище можна спостерігати до 3,98°С. Потім, при подальшому зниженні температури до 0°С, вода замерзає і розширюється в обсязі. В результаті питома вага льоду стає меншою за воду і лід плаває. Якби лід не спливав, а тонув, то всі водоймища (річки, озера, моря) промерзли б до дна, випаровування різко скоротилося, всі прісноводні тварини і рослини загинули б. Життя на Землі стало б неможливим. Вода - єдина рідина на Землі, лід якої не тоне за рахунок того, що його об'єм на 1/11 більший за об'єм води.
Поверхневий натяг
Завдяки тому, що круглі кульки води дуже пружні, йде дощ, випадає роса. Що ж це за дивовижна сила, яка зберігає краплі роси, а поверхневий шар води у будь-якій калюжці робить еластичним та відносно міцним?
Відомо, що якщо сталеву голку обережно покласти на поверхню води, налитої в блюдце, голка не тоне. Адже питома маса металу значно більша, ніж у води. Молекули води пов'язані силою поверхневого натягу, що дозволяє їм підніматися нагору по капілярах, долаючи силу земного тяжіння. Без цієї властивості води життя на Землі було б також неможливим.
Теплоємність
Жодна речовина у світі не поглинає та не віддає середовищі стільки тепла, скільки вода. Теплоємність води в 10 разів більша за теплоємність сталі і в 30 разів більша за ртуті. Вода зберігає тепло Землі.
З поверхні морів, океанів, суші випаровується за рік 520 000 кубічних кілометрів води, які, конденсуючись, віддають багато тепла холодним і полярним регіонам.
Вода в організмі людини складає 70-90%. від ваги тіла. Не володій водою такою теплоємністю, як зараз, обмін речовин у теплокровних і холоднокровних організмах був би неможливий.
Найлегше вода нагрівається і найшвидше охолоджується у своєрідній "температурній ямі", що відповідає +37°С, температурі людського тіла.
Є ще кілька аномальних властивостей води:
Жодна рідина не поглинає гази з такою жадібністю, як вода. Але вона їх також легко віддає. Дощ розчиняє у собі отруйні гази атмосфери. Вода - її потужний природний фільтр, що очищає атмосферу від усіх шкідливих та отруйних газів. Ще одна дивовижна властивість води проявляється при дії на неї магнітного поля. Вода, піддана магнітній обробці, змінює розчинність солей та швидкість хімічних реакцій.
Але найдивовижніша властивість води - це властивість практично універсального розчинника. І якщо якісь речовини в ній не розчиняються, то і це для життя відіграло величезну роль в еволюції: швидше за все саме гідрофобним властивостям первинних біологічних мембран і зобов'язане життя своєю появою та розвитком у водному середовищі.
КОРОТКИЙ ДОВІДНИК З ПРОЕКТУВАННЯ І БУРІННЯ СВЕРДЛОВИН НА ВОДУ (2-ге вид.)
Рецензент – д-р техн. наук О.С. Білицький (Інститут біофізики МОЗ СРСР).
Зміст: ДОВІДНИК З БУРІННЯ СВЕРДЛОВИН НА ВОДУ
Розділ І.
ПРОЕКТУВАННЯ СВЕРДЛОВИН НА ВОДУ
Глава 1. ДЕЯКІ ВІДОМОСТІ ПРО ВОДУ
Аномалії води
Найпростішу формулу має молекула пароподібної води (гідроль). Молекула води у рідкому стані є об'єднання двох простих молекул - дигидроль, а твердому стані - трьох простих молекул - тригидроль.У складі льоду переважають молекули тригідролю, у складі водяної пари (при температурі понад 100°С) - молекули гідролю, а в краплинно-рідкій воді - суміш гідролю, дигідролю та тригідролю, співвідношення між якими змінюються зі зміною температури.
Особливостями структури води зумовлені її наступні аномалії:
1) найбільшу щільність вода має при 4 ° С, зі зниженням температури до 0 ° С або з підвищенням до 100 ° С щільність її зменшується;
2) обсяг води при замерзанні збільшується приблизно на 10%, при цьому тверда фаза стає легшою за рідку;
3) вода має високу питому теплоємність, яка з підвищенням температури до 40 ° С зменшується, а потім знову збільшується;
4) вода має дуже велику питому внутрішню енергію (318,8 Дж/кг);
5) вода замерзає при 0 ° С, зі збільшенням тиску температура замерзання знижується і досягає свого мінімального значення (-22 ° С) при тиску 211,5 МПа;
6) вода має найбільшу питому кількість теплоти (2156 Дж/кг) при температурі 100 °С;
7) вода має найбільш високу діелектричну проникність при 20 °С;
8) вода має найбільший поверхневий натяг у порівнянні з іншими рідинами.
При взаємодії з лугами вода поводиться, як кислота, а за взаємодії з кислотами - як основа. У процесі реакції активних металів та води виділяється водень. Вода викликає процес обмінного розкладання (гідроліз), взаємодіючи із деякими солями.
