Люди привыкли к воде и считают ее обычным веществом. Они часто воспринимают ее как нечто само собой разумеющееся до тех пор, пока засуха не начнет угрожать посевам и запасам питьевой воды, или сильное наводнение не создаст угрозу жизни и имуществу. Многие не осознают, что структура воды и ее аномальные свойства обеспечивают существование жизни на Земле.

Один из ранних греческих философов, Фалес Милетский (640-546 гг. до н. э.), исследовал универсальный характер воды. Он считал ее основным элементом, из которого рождается все. Обилие воды было очевидным, но Фалес заметил, что она является единственным веществом, естественным образом присутствующим на Земле одновременно в трех разных состояниях: твердом, жидком и газообразном. В холодный зимний день снег и лед покрывают поля, рядом течет река, а над головой плывут облака.

Формы материи

Все вещества существуют в трех различных состояниях, которые зависят от температуры и давления. Твердые тела обладают определенной формой и имеют кристаллическую внутреннюю структуру. По этому определению вещество, подобное стеклу, будет считаться высоковязкой жидкостью, поскольку оно не обладает кристаллическим строением. Твердые тела склонны противостоять внешним воздействием. Они могут быть преобразованы в жидкость путем нагрева. Температура замерзания воды при давлении в 1 атмосферу равна 0 °С, ниже которой она существует в виде льда.

Жидкость, в отличие от твердого тела, не обладает твердостью и не имеет определенной формы. У нее есть объем, и она принимает форму сосуда, в котором хранится. Внешнее воздействие вынуждает ее течь. Вода представляет собой жидкость между температурами замерзания и кипения (100 °С). Жидкости могут переходить в газообразную фазу при нагреве выше точки кипения.

Газ не имеет ни формы, ни определенного объема. Он принимает форму и занимает объем сосуда, в котором находится. Газ расширяется и сжимается с изменением температуры и давления и способен легко диффундировать в другие газы.

Точки кипения и замерзания

Аномальными свойствами воды являются ее необычно высокие температуры кипения и замерзания по сравнению с другими соединениями с аналогичной молекулярной структурой. Другие подобные вещества в обычных условиях являются газами. Ожидается, что вода с ее более низкой молекулярной массой, чем аналогичные соединения, должна иметь более низкие температуры кипения и замерзания. Однако из-за полярной природы ее молекулы и водородных связей температура ее кипения равна 100 °C, а замерзания - 0 °C. Для сравнения, соответствующие значения у сероводорода H 2 S равны -60 °C и -84 °C, у селеноводорода H 2 Se этот показатель составляет -42 °C и -64 °C и у теллуроводорода -2 °C и -49 °C.

Твердая фаза

Как правило, с понижением температуры вещества становятся более плотными, и вода не является исключением. Ее плотность при 25 °C составляет 0,997 г/мл и увеличивается с до максимальной (1 г/мл) при T = 4 °C. В метрической системе измерения килограмм определяется как масса 1 л воды с максимальной плотностью. Между 4 °C и точкой замерзания 0 °C происходит удивительная вещь, которая наблюдается у очень небольшого числа веществ. Вода постепенно расширяется, становясь менее плотной. Плотность льда при 0 °C составляет около 0,917 г/мл. Молекулы воды образуют кристаллы в форме тетраэдра (четырехсторонней фигуры, каждая грань которой представляет собой равносторонний треугольник). Поскольку плотность твердой фазы меньше, чем жидкой, лед плавает. При замораживании объем воды увеличивается на 1%.

Очень важно, что лед расширяется и плавает на поверхности. Из-за этого зимой лопаются водопроводы и появляются выбоины на дорогах. Замерзание и таяние воды в значительной степени ответственно за разрушение скал и образование почв. Кроме того, если бы озера и потоки замерзали снизу вверх, то водная жизнь вообще перестала бы существовать, а климатические и погодные условия резко изменились.

Теплоемкость

Еще одним аномальным свойством воды является ее чрезвычайно высокая способность поглощать тепло без значительного повышения температуры. Например, летнее солнце на пляже нагревает песок до такой степени, что становится невозможно по нему ходить. Вода при этом остается прохладной. Оба вещества поглощают равное количество тепловой энергии, но температура песка выше. Пустой железный котелок, висящий над огнем, быстро раскалится докрасна, но если он заполнен водой, то его нагрев происходит постепенно. Высокая теплоемкость воды делает ее хорошей охлаждающей жидкостью в конденсаторах и автомобильных радиаторах, предотвращающих двигатели от перегрева. Ее значение в 5 раз превышает теплоемкость песка и примерно в 10 раз - железа.

Умеренный климат в прибрежных районах является результатом поглощения в течение дня огромного количества солнечной тепловой энергии водой и медленного высвобождения ее ночью. Внутренние районы вдали от побережья обычно испытывают гораздо более высокие экстремальные температуры. Огромные океаны на Земле (около 75% площади поверхности) отвечают за смягчение климата на нашей планете, поддерживая существование жизни.

Теплота плавления и испарения

С теплоемкостью связана теплота фазового перехода. Это количество тепловой энергии, поглощаемой или высвобождаемой веществом, которое изменяется в фазе (от жидкого до твердого состояния, или наоборот, и от жидкого до газообразного, или наоборот) без изменения температуры. Необычайно высокие значения удельной теплоты плавления (332,4 кДж/кг) и испарения (2256,2 кДж/кг) - очередные аномальные физические свойства воды. При замерзании выделяется такое же количество тепла, которое поглощается в процессе плавления.

Практическим примером использования удельной теплоты плавления воды является использование льда для охлаждения напитков в изолированном кулере. В процессе таяния лед поглощает тепловую энергию напитков, сохраняя их прохладными. Емкость с водой в теплице в холодную зимнюю ночь смягчит температуру в помещении из-за тепла, выделяемого при замерзании. Конденсация пара высвобождает то же количество тепла, которое поглощается в процессе испарения. Удельная теплота испарения в 5 раз превышает теплоту, необходимую для повышения температуры от 0 до 100 °C. Аномальное свойство воды хранить большое количество накопленной тепловой энергии делает паровое отопление эффективным. В процессе конденсации пар высвобождает накопленную тепловую энергию. Дневная гроза в жаркий летний день - еще один пример высвобождения тепловой энергии в верхних слоях атмосферы при конденсации горячего влажного воздуха. Даже ураган является примером влияния перераспределения огромного количества тепловой энергии, поглощенной тропическими океанами.

Системы испарительного охлаждения работают наоборот. Вода в процессе испарения поглощает тепловую энергию из воздуха, охлаждая его.

Универсальный растворитель

Растворитель способен растворять другое вещество с образованием гомогенной смеси (раствора) на молекулярном уровне. Еще одним аномальным свойством воды в химии благодаря ее полярной природе является ее способность растворять другие полярные соединения - соли, спирты, карбоксильные соединения и т. д. В воде растворяется больше веществ, чем в любом другом растворителе. В ней можно найти более половины известных химических элементов, некоторые в высоких концентрациях, а другие - только в следовых количествах. Например, концентрация насыщения хлорида натрия составляет около 36 г на 100 мл, а карбоната кальция - около 0,0015 г. Способность воды растворять вещество зависит от его химического состава, силы химических связей элементов, температуры и рН.

Неполярные соединения, в том числе большинство углеводородов, растворяются в низких или следовых количествах. Например, масла, как правило, плавают на поверхности воды.

Поверхностное натяжение

К аномальным свойствам воды относят и ее самое высокое (после ртути) поверхностное натяжение по сравнению с любой другой жидкостью. Это сила притяжения молекул, расположенных под поверхностью и тех, которые находятся на границе раздела жидкость-воздух. Она удерживает воду от растекания. Полярные соединения, как правило, имеют гораздо более высокое поверхностное натяжение, чем неполярные. И вода не является исключением. При 20 °С данный показатель равен 0,07286 Н/м (у этилового спирта - 0,0228 Н/м).

Без внешнего воздействия капля H 2 O принимает форму сферы, поскольку эта фигура обладает наименьшей площадью поверхности на единицу объема. Капли дождя являются крошечными пулями, которые при длительном воздействии разрушают горные породы. По этой же причине объекты, более тяжелые, чем вода, могут удерживаться на ее поверхности. Насекомые способны ходить по ней, а лезвие бритвы - плавать.

Водородная связь определяет аномальное свойство воды смачивать большинство поверхностей. Такие вещества считаются гидрофильными. Вода способна подниматься по стенкам стакана и других емкостей. Другие вещества, такие как масла, жиры, воск и синтетика (полипропилен и т. д.), не намокают. Они являются гидрофобными. Мембранные фильтровальные картриджи с размером пор менее 1 мкм изготавливают из гидрофобных полимеров с помощью смачивающих агентов, снижающих поверхностное натяжение воды, чтобы последняя могла проникнуть и оставаться в них. Это явление называется капиллярным эффектом. Он отвечает за движение воды в почве и по корням растений и крови по кровеносным сосудам.

Аномальные свойства воды и их значение для жизни

H 2 O является неотъемлемым компонентом существования всего живого. Это объясняет недавний интерес к обнаружению воды в других частях Вселенной. Все известные биохимические процессы происходят в водной среде. Большинство живых существ содержат 70-80% H 2 O по весу.

Кроме того, вода играет значительную роль в процессе фотосинтеза. Растения используют лучистую энергию солнца для превращения воды и углекислого газа в углеводы: 6CO 2 + 6H 2 O + 672 ккал → C 6 H 12 O 6 + 6O 2 . Фотосинтез - самая основная и важная химическая реакция на Земле. Он поставляет питательные вещества, прямо или косвенно, всем живым организмам и является основным источником атмосферного кислорода.

Аномальные свойства воды и их причины

Способность элементов формировать соединения зависит от способности их атомов отдавать или принимать электроны. Элементы первого типа становятся положительно заряженными ионами (катионами), а второго - отрицательно заряженными анионами.

Способность элемента взаимодействовать с другими элементами для образования соединений называется валентностью. Она соответствует количеству полученных или отданных электронов. Для неорганических соединений алгебраическая сумма валентных чисел элементов равна нулю. Электростатическое притяжение противоположно заряженных ионов с образованием соединения называется ионной связью.

Элементы, которые образуют воду (водород и кислород), существуют отдельно в молекулах H 2 и O 2 , содержащих по два атома. Они удерживаются вместе благодаря обмену электронной парой в химической связи, называемой ковалентной. Она намного сильнее ионной. Два атома, удерживаемые вместе ковалентной связью, образуют намного более устойчивую молекулу, чем ее составные части. В ней водород объединяется кислородом посредством общих электронных пар. Это уникальное распределение электронов в образованном химическом соединении заставляет атомы H располагаться по отношению к O под углом 104,5°.

Аномальные физические свойства воды объясняются ее структурой и химической связью.

Атом кислорода оказывает относительно сильное воздействие на общую пару электронов, в результате чего атомы водорода становятся электроположительными, а атом кислорода - электроотрицательной областью. Поскольку положительно и отрицательно заряженные участки распределены неравномерно по отношению к центральной точке, молекула воды является полярной.

Такая ее природа заставляет ее становиться электростатически привлекательной для других молекул H 2 O, а также ионов и контактных поверхностей с заряженными участками. Электроположительные атомы водорода притягиваются к электроотрицательным атомам кислорода соседних молекул воды. Это явление называется водородной связью. Ее прочность составляет всего около 10% ковалентной, но она отвечает за большинство аномальных физических свойств воды. К ним относятся высокие температуры замерзания и кипения, теплоемкость, удельная теплота плавления и испарения, растворимость и поверхностное натяжение.

Водородная связь отвечает за поддержание целостности молекулы H 2 O во время химических реакций. В то время как другие соединения подвергаются ионизации, сама вода сохраняет свою химическую целостность. Лишь относительно небольшое число молекул ионизируется в водород и гидроксильные ионы. Поэтому H 2 O является относительно плохим проводником электрического тока. Специфическое сопротивление теоретически чистой воды составляет 18,3 МОм∙см, в то время как питьевая имеет удельное сопротивление менее 10 000 Ом∙см. Таким образом можно легко проверить чистоту H 2 O.

Аномальные свойства воды объясняются наличием водородных связей, из-за которых имеет место низкая плотность льда. Вдоль них при замерзании располагаются молекулы, что приводит к расширению вещества. По этой причине лед плавает на поверхности воды. Повышенное давление снижает температуру плавления. Давление, создаваемое лезвием конька, топит лед, создавая слой, обеспечивающий изящное скольжение. Даже при чрезвычайно низких температурах высокое давление ослабляет кристаллическую решетку. Это является причиной того, что огромные ледяные массы, такие как ледники, постепенно движутся.

Дипольный момент

Полярная природа молекулы воды заставляет ее ориентироваться в электрическом или магнитном поле. Электроотрицательный атом кислорода выстраивается к положительному полюсу, а электроположительные атомы водорода - в направлении отрицательного. Вода имеет исключительно большой дипольный момент, представляющий собой произведение расстояния между зарядами, умноженное на величину заряда.

Диэлектрическая проницаемость является еще одним свойством, связанным с дипольным моментом. Молекулы воды путем выравнивания в электрическом поле стремятся нейтрализовать его и создать устойчивость к передаче электростатического заряда. Диэлектрическая проницаемость вещества определяется ε в уравнении F = Q1∙Q2/ε∙r 2 , где F - сила между двумя зарядами Q, разделенная расстоянием r в среде.

По мере увеличения диэлектрической проницаемости сила между зарядами уменьшается. Высокая диэлектрическая постоянная уменьшает силу притяжения ионов, что объясняет аномальные химические свойства воды растворять самые разнообразные вещества.

Заключение

Для людей вода - это обычное вещество, которое часто принимается как должное. Несмотря на то что аномальные свойств воды объясняются на атомном уровне, ее значение действительно велико. Очевидно, что она необходима для существования жизни на Земле. Аномальные свойства воды, кратко говоря, позволяют ей служить медиатором химических и биохимических процессов, формировать нашу природную среду и участвовать в создании климата и погоды.

Вода в нашей жизни - самое обычное и самое распространенное вещество. Однако с научной точки зрения это самая необычная, самая загадочная жидкость. Пожалуй, только жидкий гелий может соперничать с ней. Но необычные свойства жидкого гелия (такие, как сверхтекучесть) проявляются при очень низких температурах (вблизи абсолютного нуля) и обусловлены специфическими квантовыми законами. Поэтому жидкий гелий - это экзотическое вещество. Вода же в нашем сознании является прообразом всех жидкостей, и тем более удивительно, когда мы называем ее самой необычной. Но в чем же заключается необычность воды? Дело в том, что трудно назвать какое-либо ее свойство, которое не было бы аномальным, то есть ее поведение (в зависимости от изменения температуры, давления и других факторов) существенно отличается от такового у подавляющего большинства других жидкостей, у которых это поведение похоже и может быть объяснено из самых общих физических принципов. К таким обычным, нормальным жидкостям относятся, например, расплавленные металлы, сжиженные благородные газы (за исключением гелия), органические жидкости (бензин, являющийся их смесью, или спирты).Вода имеет первостепенное значение при большинстве химических реакций, в частности и биохимических. Древнее положение алхимиков – «тела не действуют, пока не растворены» – в значительной степени справедливо. Человек и животные могут в своем организме синтезировать первичную ("ювенильную") воду,образовывать ее при сгорании пищевых продуктов и самих тканей. У верблюда, например, жир содержащийсяв горбу, может путем окисления дать 40 л воды. Связь между водой и жизнью столь велика, что даже позволила В. И. Вернадскому «рассматривать жизнь, как особую коллоидальную водную систему... как особое царство природных вод». Вода – вещество привычное и необычное. Известный советский ученый академик И.В.Петрянов свою научно – популярную книгу о воде назвал “Самое необыкновенное вещество в мире”. А доктор биологических наукБ.Ф.Сергеев начал свою книгу“Занимательная физиология” с главы о воде – “Вещество, которое создало нашу планету”. Ученые правы: нет на Земле вещества более важного для нас, чем обыкновенная вода, и в то же время не существуетдругого такого же вещества, в свойствах которого было бы столько противоречий и аномалий, сколько в её свойствах.

1.Распространение воды на планете Земля.

Почти ¾поверхности нашей планеты занято океанами и морями. Твёрдой водой – снегом и льдом – покрыто 20% суши. Из общего количества воды на Земле,равного 1 млрд. 386 млн. кубических километров, 1 млрд. 338 млн. кубических километровприходится на долю солёных вод Мирового океана, и только35 млн. кубических километров приходится на долю пресных вод. Всего количества океанической воды хватило бы на то, чтобы покрыть ею земной шарслоем более 2,5 километров. На каждого жителя Землиприблизительно приходится 0,33 кубических километров морской воды и 0,008 кубических километров пресной воды. Но трудность в том, что подавляющая часть пресной воды на Земле находится в таком состоянии, которое делает её труднодоступной для человека. Почти 70% пресных вод заключено в ледниковыхпокровах полярных стран и в горных ледниках, 30% - в водоносных слоях под землёй, а в руслах всех рек содержатся одновременно всего лишь 0,006% пресных вод.

Молекулы воды обнаружены в межзвёздном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников.

2.Изотопный состав воды.

Атомы водорода и кислорода, образующие воду, или окись водорода, могут иметь различные массовые числа и отличаться друг от друга своими физико-химическими свойствами, но при этом они имеют одинаковый электрический заряд атомных ядер и поэтому занимают в периодической системе элементов одно и то же место. Такие разновидности атомов одного и того же химического элемента называются изотопами. Известны пять водородов и пять кислородов. Правда, по два из них (4 H, 5 H, 14 O и 15 O ) радиоактивны и очень короткоживущи. Например, длительность существования водорода –4-4*10 -11 сек.Наиболее широко известны следующие изотопы водорода: протий 1 H (с относительной атомной массой 1), дейтерий 2 H , или D (c относительной атомной массой 2) и тритий 3 H , или T (c относительной атомной массой 3), наиболее тяжелый, но слаборадиоактивный водород (его период полураспада 12,3 года), и изотопы кислорода: 16 O , 17 O и 18 O . Эти шесть изотопов могут образовывать 18 изотопических разновидностей воды: 1 Н 2 16 О; 1 Н D 16 О; D 2 16 О; 1 Н T 16 О; DT 16 О; T 2 О 16 ; 1 Н 2 17 О; 1 Н D 17 О; D 2 17 О; 1 Н T 17 О; DT 17 О; T 2 17 О; 1 Н 2 18 О; 1 Н D 18 О; D 2 18 О; 1 Н T 18 О; DT 18 О; T 2 18 О.

На Земле на 6800 атомов протия приходится один атом дейтерия, а в межзвездочном пространстве один атом дейтерия приходится уже на 200 атомов протия.

3.Строение молекулы воды.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода (Н) и одного атома кислорода (О). Все многообразие свойств воды и необычность их проявления в конечном счете определяются физической природой этих атомов и способом их объединения в молекулу. В отдельной молекуле воды ядра водорода и кислорода расположены так относительно друг друга, что образуют как бы равнобедренный треугольник со сравнительно крупным ядром кислорода на вершине и двумя мелкими ядрами водорода у основания. В молекуле воды имеются четыре полюса зарядов: два отрицательных за счет избытка электронной плотности у кислородных пар электронов и два положительных - вследствие недостатка электронной плотности у ядер водорода - протонов. Такая ассиметричность распределения электрических зарядов воды обладает ярко выраженными полярными свойствами; она является диполем с высоким дипольным моментом -1,87 дебай

Благодаря этому молекулы воды стремятся нейтрализовать электрическое поле. Под воздействием диполей воды на поверхности погруженных в нее веществ межатомные и межмолекулярные силы ослабевают в 80 раз. Столь высокая диэлектическая проницаемость из всех известных веществ присуща только воде. Этим объясняется ее способность быть универсальным растворителем.

Помогая" контактирующим с ней молекулам разлагаться на ионы (например, солям кислот), сама вода проявляет большую устойчивость. Из 1 млрд. молекул воды диссоциированными при обычной температуре оказываются лишь две, при этом протон не сохраняется в свободном состоянии, а вероятнее всего входит в состав иона гидроксония. ( Гидроксоний (Н 3 О +) - это гидратированный ион водорода; существует в водных растворах кислот)

Вода химически не изменяется под действиям большинства тех соединений, которые она растворяет, и не изменяет их. Это характеризует ее инертным растворителем, что важно для живых организмов на нашей планете, поскольку необходимые их тканям питательные вещества поступают в водных растворах в сравнительно устойчивом виде. Как растворитель вода многократно используется, неся в своей структуре память о ранее растворенных в ней веществах. Молекулы в объеме воды сближаются противоположными зарядами, возникают межмолекулярные водородные связи между ядрами водорода и неподеленными электронами кислорода, насыщая электронную недостаточность водорода одной молекулы воды и фиксируя его по отношению к кислороду другой молекулы. Тетраэдрическая направленность водородного облака позволяет образовать четыре водородные связи для каждой водной молекулы, которая благодаря этому может ассоциировать с четырьмя соседними. В такой модели углы между каждой парой линий, соединяющих центр (атом О) с вершинами, равны 109,5 С.

Водородные связи в несколько раз слабее ковалентных связей, объединяющих атомы кислорода и водорода. Микромолекулярная структура воды с большим количеством полостей позволяет ей, разрывая водородные связи, присоединять молекулы или части молекул других веществ, способствуя их растворению.
Сравнивая воду - гидрид кислорода с гидридами элементов, входящих в одну с кислородом подгруппу периодической системы Д.И. Менделеева, следовало бы ожидать, что вода должна кипеть при - 70 о С, а замерзать при - 90 о С. Но в обычных условиях вода замерзает при 0 о С. Такое резкое отклонение от установленной закономерности как раз и объясняется тем, что вода является ассоциированной жидкостью. Ассоциированность ее сказывается и на очень высокой теплоте парообразования. Так, для того чтобы испарить 1 г воды, нагретой до 100 о С, требуется вшестеро больше тепла, чем для нагрева такого же количества воды от 0 до 80 о С. Благодаря этому вода является мощнейшим энергоносителем на нашей планете. По сравнению с другими веществами, она способна воспринимать гораздо больше тепла, существенно не нагреваясь. Вода выступает как бы регулятором температуры, сглаживая благодаря своей большой теплоемкости резкие температурные колебания. В интервале от 0 до 37 о С теплоемкость ее падает и только после 37 о С начинает повышаться. Минимум теплоемкости воды соответствует температуре 36 - 39 о С - нормальной температуре человеческого тела. Благодаря этому возможна жизнь теплокровных животных, в том числе и человека.0 о С и закипает при 100 о С.

4.Физические свойства воды, их аномальность.

Чистая вода представляет собой есцветнуюбез вкуса запаха прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает.

Как хорошо известно, вода принята за образец меры – эталон для всехдругих веществ. Казалось бы, за эталон для физических констант следовало бы выбрать такое вещество, которое ведет себя самым нормальным, обычным образом. А получилось как раз наоборот.

И первое, самое поразительное, свойство воды заключается в том, что вода принадлежит к единственному веществу на нашей планете, которое в обычных условиях температуры и давления может находиться в трех фазах, или трех агрегатных состояниях: в твердом (лед), жидком и газообразном (невидимый глазу пар).

4.1. Аномалия плотности.

Всем известна аномалия плотности. Она двоякая. Во-первых, после таяния льда плотность увеличивается, проходит через максимум при 4 о С и только затем уменьшается с ростом температуры. В обычных жидкостях плотность всегда уменьшается с температурой. И это понятно. Чем больше температура, тем больше тепловая скорость молекул, тем сильнее они расталкивают друг друга, приводя к большей рыхлости вещества. Разумеется, и в воде повышение температуры увеличивает тепловую скорость молекул, но почему-то это приводит в ней к понижению плотности только при высоких температурах.

Вторая аномалия плотности состоит в том, что плотность воды больше плотности льда (благодаря этому лед плавает на поверхности воды, вода в реках зимой не вымерзает до дна и т.д.). Обычно же при плавлении плотность жидкости оказывается меньше, чем у кристалла. Это тоже имеет простое физическое объяснение. В кристаллах молекулы расположены регулярно, обладают пространственной периодичностью - это свойство кристаллов всех веществ. Но у обычных веществ молекулы в кристаллах, кроме того, плотно упакованы. После плавления кристалла регулярность в расположении молекул исчезает, и это возможно только при более рыхлой упаковке молекул, то есть плавление обычно сопровождается уменьшением плотности вещества. Такого рода уменьшение плотности очень мало: например, при плавлении металлов она уменьшается на 2 - 4%. А плотность воды превышает плотность льда сразу на 10%! То есть скачок плотности при плавлении льда аномален не только по знаку, но и по величине.

4.2.Переохлажденная вода.

В последнее время много внимания уделяется изучению свойств переохлажденной воды, то есть остающейся в жидком состоянии ниже точки замерзания 0 о С . (Переохладить воду можно либо в тонких капиллярах, либо - еще лучше - в виде эмульсии: маленьких капелек в неполярной среде - "масле"). Что же происходит с аномалией плотности при переохлаждении воды? Она ведет себя странно. С одной стороны, плотность воды сильно уменьшается по мере переохлаждения (то есть первая аномалия усиливается), но, с другой стороны, она приближается к плотности льда при понижении температуры (то есть вторая аномалия ослабевает ).

4.3.Аномалия сжимаемости.

Вот еще пример аномалии воды: необычное температурное поведение ее сжимаемости, то есть степени уменьшения объема при увеличении давления.Обычно сжимаемость жидкости растет с температурой: при высоких температурах жидкости более рыхлы (имеют меньшую плотность) и их легче сжать. Вода обнаруживает такое нормальное поведение только при высоких температурах. При низких же сжимаемость ведет себя противоположным образом, в результате чего в ее температурном поведении появляется минимум при 45 о С.

На этих двух примерах мы видим, что необычные свойства воды характеризуются экстремальным поведением, то есть появлением максимумов (как в плотности) или минимумов (как в сжимаемости) на кривых их зависимостей от температуры. Такие экстремальные зависимости означают, что в воде имеет место противоборство двух процессов, каждый из которых обусловливает противоположное поведение рассматриваемого свойства. Один процесс - это обычное тепловое движение, усиливающееся с ростом температуры и делающее воду (как и любую другую жидкость) более раз упорядоченной; другой процесс необычный, присущий только воде, за счет него вода становится более упорядоченной при низких температурах. Разные свойства воды по-разному чувствительны к этим двум процессам, и поэтому положение экстремума наблюдается для каждого свойства при своей температуре.

4.4.Поверхностное натяжение

Среди необычных свойств воды трудно обойти вниманием еще одно - ее исключительно высокое поверхностное натяжение 0,073 Н/м (при 20 o С). Из всех жидкостей более высокое поверхностное натяжение имеет только ртуть. Оно проявляется в том, что вода постоянно стремится стянуть, сократить свою поверхность, хотя она всегда принимает форму емкости, в которой находится в данный момент. Вода лишь кажется бесформенной, растекаясь по любой поверхности. Сила поверхностного натяжения заставляет молекулы ее наружного слоя сцепляться, создавая упругую внешнюю пленку. Свойства пленки также определяются замкнутыми и разомкнутыми водородными связями, ассоциатами различной структуры и разной степени упорядоченности. Благодаря пленке некоторые предметы, будучи тяжелее воды, не погружаются в воду (например, осторожно положенная плашмя стальная иголка). Многие насекомые (водомерки, ногохвостки и др.) не только передвигаются по поверхности воды, но взлетают с нее и садятся, как на твердую опору. Более того, живые существа приспособились использовать даже внутреннюю сторону водной поверхности. Личинки комаров повисают на ней с помощью не смачиваемых щетинок, а маленькие улитки - прудовики и катушки - ползают по ней в поисках добычи.

Высокое поверхностное натяжение позволяет воде принимать шарообразную форму при свободном падении или в состоянии невесомости: такая геометрическая форма имеет минимальную для данного объема поверхность.Струя химически чистой воды сечением 1 см 2 по прочности на разрыв не уступает стали того же сечения. Водную струю как бы цементирует сила поверхностного натяжения. Поведение воды в капиллярах подчиняется и более сложным физическим закономерностям. Сент-Дьердьи отмечал, что в узких капиллярах возникают структурно упорядоченные слои воды вблизи твердой поверхности. Структурирование распространяется в глубь жидкой фазы на толщину слоя порядка десятков и сотен молекул (ранее предполагали, что упорядоченность ограничивается лишь мономолекулярным слоем воды, примыкающим к поверхности). Особенности структурирования воды в капиллярных системах позволяют с определенным основанием говорить о капиллярном состоянии воды. В природных условиях это состояние можно наблюдать у так называемой поровой воды. В виде тончайшей пленки она устилает поверхность полостей, пор, трещин пород и минералов земной коры. Развитые межмолекулярные контакты с поверхностью твердых тел, особенности структурной упорядоченности, вероятно, и являются причиной того, что поровая вода замерзает при более низкой температуре, чем обычная - свободная - вода. Исследования показали, что при замерзании связанной воды проявляются не только изменения ее свойств, - иными становятся и свойства тех горных пород, с которыми она непосредственно соприкасается.

4.5.Аномалия теплоемкости.

Что же это за необычный процесс, происходящий в воде и делающий ее непохожей на другие жидкости? Чтобы уяснить его физическую сущность, рассмотрим еще одну, на мой взгляд, самую сильную аномалию воды - температурное поведение ее теплоемкости. Величина теплоемкости, как известно, показывает, сколько нужно затратить тепла, чтобы поднять температуру вещества на один градус. Для подавляющего числа веществ теплоемкость жидкости после плавления кристалла увеличивается незначительно - никак не более 10%. Другое дело - вода. При плавлении льда теплоемкость скачет от 9 до 18 кал/моль " град, то есть в два раза! Такого огромного скачка теплоемкости при плавлении не наблюдается ни у одного другого вещества: здесь вода абсолютный рекордсмен. Во льду энергия, подводимая для нагревания, тратится в основном на увеличение тепловой скорости молекул. Скачок теплоемкости после плавления означает, что в воде открываются какие-то новые процессы (и очень энергоемкие), на которые тратится, подводимое тепло и которые обусловливают появление избыточной теплоемкости. Такая избыточная теплоемкость и, следовательно, упомянутые энергоемкие процессы существуют во всем диапазоне температур, при которых вода находится в жидком состоянии. Она исчезает только в паре, то есть эта аномалия является свойством именно жидкого состояния воды. 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 o С, а при дальнейшем увеличении температуры - возрастает. Минимальное значение удельной теплоемкости воды обнаружено при температуре 36,79 o С, а ведь это нормальная температура человеческого тела! Нормальная температура почти всех теплокровных живых организмов также находится вблизи этой точки.При сильном переохлаждении теплоемкость сильно возрастает, то есть аномальный вклад в нее еще больше увеличивается. Переохлажденная вода еще более аномальна, чем обычная.

5.Структура и формы льда.

Вода при охлаждении в нормальных условиях ниже 0 о С кристаллизируется, образуя лед, плотность которого меньше, а объем почти на 10% больше объема исходной воды. Охлаждаясь, вода ведет себя как многие другие соединения: понемногу уплотняется-уменьшает свой удельный объем. Но при 4 о С (точнее, при 3,98 о С) наступает кризисное состояние: при дальнейшем понижении температуры объем воды уже не уменьшается, а увеличивается. С этого момента начинается упорядочение взаимного расположения молекул, складывается характерная для льда гексагональная кристаллическая структура. Каждая молекула в структуре льда соединена водородными связями с четырьмя другими. Это приводит к тому, что в фазе льда образуется ажурная конструкция с " каналами" между фиксированными молекулами воды. В водных растворах некоторых органических веществ вокруг молекул примесей возникают упорядоченные группы водных молекул своеобразные зоны "жидкого льда", имеющие кубическую структуру, которая отличается большой рыхлостью по сравнению с гексагональной. Появление такого льда вызывает значительное расширение всей замерзшей массы. При появлении льда разрушаются связи не только дальнего, но и ближнего порядка. Так, при 0 о С9- 15% молекул Н 2 О утрачивают связи с соединениями, в результате увеличивается подвижность части молекул и они погружаются в те полости, которыми богата ажурная структура льда. Этим объясняется сжатие льда при таянии и большая по сравнению с ним плотность образующейся воды. При переходе " лед-вода" плотность возрастает примерно на 10%, и можно считать, что эта величина определенным образом характеризует количество молекул Н 2 О, попавших в полости.

В твердой воде (лед) атом кислорода каждой молекулы уча­ствует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды согласно схеме, в которой водородные связи показаны пунктиром

Образование водо родных связей приводит к такому расположению молекул воды, ри котором они соприкасаются друг с другом своими разноимен­ными полюсами. Молекулы образуют слои, причем каждая из них связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной - из соседнего слоя Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, раз­меры наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, раз­меры которых несколько превышают размеры молекулы .

Характерной особенностью структуры льда является то, что в ней молекулы упакованы рыхло. Если изобразить молекулу шаром, то приплотневшейупаковке шаров вокруг каждого из них будет 12 соседей. Во льду же их всего четыре. Если бы молекулы воды во льду были плотно упакованы, то его плотность составляла бы 2,0 г/см3, тогда как на самом деле она равна 0,92 г/см3. Казалось бы, рыхлость упаковки частиц, то есть наличие в ней больших объемов не заполненного молекулами пространства, должна приводить к неустойчивости структуры. Например, можно было бы ожидать, что при сжатии льда внешним давлением сетка водородных связей будет разрушаться, пустоты структуры будут с легкостью схлопываться, заполняясь молекулами, вырванными из этой сетки. Но не тут-то было! На самом деле сетка водородных связей не разрушается, а перестраивается. При повышении давления обычный гексагональный ледменяет свою структуру.

Сейчас известно десять форм льда, устойчивых при высоких давлениях. И у всех сохраняется четырежды координированная сетка водородных связей, то есть каждая молекула воды сохраняет в них все свои четыре водородные связи.

I – обычный лед, существующий при давлении до 2200 атм., придальнейшем увеличении давления переходит в II ;

II – лед с уменьшением объема на 18%, тонет в воде, оченьнеустойчив и легко переходит в III ;

III – также тяжелее воды и может непосредственно быть получен из льда I ;

IV – легче воды, существует при небольших давлениях и температуре немного ниже 0 ° С, неустойчив и легко переходит в лед I ;

V – может существовать при давлениях от 3600 до 6300 атм., он плотнее льда III , при повышении давления с треском мгновенно превращается в лед VI ;

V I – плотнее льда V , при давлении около 21 000 атм.имеет температуру +76 ° С; может быть получен непосредственно воды при температуре +60 ° С и давлении 16 500 атм.

Структура льда, у которой все углы между соседними водородными связями равны тетраэдрическому углу, обладает минимальной плотностью (наибольшей рыхлостью), возможной для четырежды координированных сеток. При деформации такой сетки плотность неизбежно увеличивается, так что, например, для льда III она составляет 1,15 г/см3, то есть на 25% больше, чем во льду.

Итак, при внешних воздействиях (повышении давления) сетка водородных связей во льду не разрушается, а перестраивается, сохраняя свою четверную координацию. Более выгодным оказывается не разорвать некоторые водородные связи, а сохранить их все, лишь деформируя сетку, несколько изменяя углы между связями. В этой удивительной структурной устойчивости состоит важнейшее свойство сеток водородных связей между молекулами воды.

6.Структура и перестройка структуры воды.

Теперь легко представить себе, что происходит при плавлении льда. Сетка водородных связей и здесь не должна разрушаться, но кристаллический порядок должен исчезнуть. Это означает, что каждая молекула воды и в жидком состоянии должна сохранить свои четыре водородные связи, но углы между ними будут отличаться от qТ, что и приводит к повышению ее плотности по сравнению со льдом Ih. Чем же отличается структура сетки водородных связей в жидкой воде от структур сеток в формах льда, стабильных при высоких давлениях? Отсутствием пространственной периодичности. В отличие от льда в водной сетке невозможно выделить участки в разных ее местах, которые были бы тождественны по структуре. Сетка в воде случайная. В ней углы между связями отклоняются от qТ не по какому-то определенному закону, как в кристаллах, а случайно. В кристалле вокруг каждой молекулы соседние частицы расположены одинаково, в жидкости же окружение каждой молекулы устроено особым (но случайным) образом. По этой причине структуру случайной сетки невозможно установить рентгеноструктурным анализом, который вскрывает закономерности только единообразно окруженных частиц.

Значит, молекулярную структуру воды, то есть конкретное положение всех ее молекул, невозможно определить экспериментально. Здесь нужно использовать другие методы исследования и прежде всего моделирование. При помощи компьютера можно моделировать движения не очень большого ансамбля частиц (около тысячи) и получать информацию о положении каждой молекулы, если сделать определенные (модельные) предположения о законах их взаимодействия. Этой увлекательной задачей занимаются сейчас ученые во всем мире. Все исследователи согласны в том, что основой структуры является сетка водородных связей, охватывающая все молекулы воды; разногласия касаются в основном устройства этой сетки.

Итак, наиболее реалистической картиной структуры воды является случайная четырежды координированная сетка водородных связей. Такая общая идея вполне достаточна для нашего обсуждения. Как объяснить с этой точки зрения аномалии воды? Всякие изменения сетки при внешних воздействиях могут быть: 1) без изменения структуры (например, изменения длин связей); 2) с изменением структуры сетки (без изменения длин связей). Удлинение всех связей при увеличении температуры относится к изменениям первого рода и является общим для всех веществ, включая воду. Но в воде существенную роль играет и второй фактор. При низких температурах структура более упорядочена, то есть углы между водородными связями в сетке в меньшей степени отклоняются от тетраэдрического угла qТ, поэтому она более ажурна (более рыхла, имеет меньшую плотность) и ее труднее деформировать. При изменении температуры сетка перестраивается, меняет свою структуру. Это нужно понимать не только как изменение углов между связями, но и как изменение характера связности узлов сетки (молекул): например, изменение количества колец разного типа, аналогичное тому, что происходит при переходе от льда Ih ко льду III. Но если при низких температурах, в кристаллической фазе структура каждой из десяти форм льда оставалась неизменной в конечном интервале температур и перестройка сетки происходила при переходе от одной дискретной формы к другой, то в жидкости структура сетки водородных связей перестраивается при изменении температуры непрерывно.

7.Диаграмма состояния воды.

Диаграмма состояния (или фазовая диаграмма) представляет собой графическое изображение зависимости между величинами, характеризующими состояние системы, и фазовыми превращениями в системе (переход из твердого состояния в жидкое, из жидкого в газообразной и т. д.). Диаграммы состояния широко применяются в химии. Для однокомпонентных систем обычно используются диаграммы состояния, показывающие зависимость фазовых превращений от температуры и давления, они называются диаграммами состояния в координатах Р-Т.

На рисунке приведена в схематической форме диаграмма состояния воды. Любой точке на диаграмме отвечают определенные значения температуры и давления.

Диаграмма показывает те состояния воды, которые термодинамическиустойчивы при определенных значениях температуры и давления. Она состоит из трех кривых, разграничивающих все возможные температуры и давления на три области, отвечающие льду, жидкости и пару.

Рассмотрим каждую из кривых более подробно. Начнем с кривой ОА , отделяющей область пара от области жидкого состояния. Представим себе цилиндр, из которого удален воздух, после чего в него введено некоторое количество чистой, свободной от растворенных веществ, в том числе от газов, воды; цилиндр снабжен поршнем, который закреплен в некотором положении. Через некоторое время часть воды испарится, и над ее поверхностью будет находиться насыщенный пар. Можно измерить его давление и убедиться в том, что оно не изменяется с течением времени и не зависит от положения поршня. Если увеличить температуру всей системы и вновь измерить давление насыщенного пара, то окажется, что оно возросло. Повторяя такие измерения при различных температурах, найдем зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры. Кривая ОА представ­ляет собой график этой зависимости: точки кривой показывают те пары значений температуры и давления, при которых жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии друг с другом - сосуществуют. Кривая ОА называется кривой равновесия жидкость-пар или кривой кипения . В таблице приведены значения давления насыщенного водяного пара при нескольких температурах.

Температура	Давление насыщенного пара		Температура	Давление насыщенного пара
	кПа	мм рт. ст.		кПа	мм рт. ст.
	0,61			12,3	92,5
	1,23			19,9
	2,34	17,5		31,2
	4,24	31,8		47.4
	7,37	55,3		101,3

Попытаемся осуществить в цилиндре давление, отличное от равновесного, например, меньшее, чем равновесное. Для этого осво­бодим поршень и поднимем его. В первый момент давление в ци­линдре, действительно, упадет, но вскоре равновесие восстановится: испарится добавочно некоторое количество воды и давление вновь достигнет равновесного значения. Только тогда, когда вся вода испарится, можно осуществить давление, меньшее, чем равновес­ное. Отсюда следует, что точкам, лежащим на диаграмме состоя­ния ниже или правее кривой ОА, отвечает область пара Если пытаться создать давление, превышающее равновесное, то этого можно достичь, лишь опустив поршень до поверхности воды. Иначе говоря, точкам диаграммы, лежащим выше или левее кривой ОА, отвечает область жидкого состояния.

До каких пор простираются влево области жидкого и парооб­разного состояния? Наметим по одной точке в обеих областях и будем двигаться от них горизонтально влево. Этому движению точек на диаграмме отвечает охлаждение жидкости или пара при постоянном давлении. Известно, что если охлаждать воду при нормальном атмосферном давлении, то при достижении 0°С вода начнет замерзать. Проводя аналогичные опыты при других давлениях, придем к кривой ОС, отделяющей область жидкой воды от области льда. Эта кривая - кривая равновесия твердое состояние - жидкость, или кривая плавления ,- показывает те пары значений температуры и давления, при которых лед и жид­кая вода находятся в равновесии.

Двигаясь по горизонтали влево в области пара (в нижнею части диаграммы), аналогичным образом придем к кривой 0В. Это-кривая равновесия твердое состояние-пар, или кривая сублимации . Ей отвечают те пары значений температуры к давления, при которых в равновесии находятся лед и водяной пар.

Все три кривые пересекаются в точке О. Координаты этой точки-это единственная пара значений температуры и давления,. при которых в равновесии могут находиться все три фазы: лед, жидкая вода и пар. Она носит название тройной точки .

Кривая плавления исследована до весьма высоких давлений, В этой области обнаружено несколько модификаций льда (на диаграмме не показаны).

Справа кривая кипения оканчивается в критической точке . При температуре, отвечающей этой точке,-критической температуре - величины, характеризующие физические свойства жидкости и пара, становятся одинаковыми, так что различие между жидким и парообразным состоянием исчезает. ОС на диаграмме состояния воды идет вверх влево, тогда как почти для всех других веществ она идет вверх вправо.

Превращения, происходящие с водой при атмосферном давле­нии, отражаются на диаграмме точками или отрезками, располо­женными на горизонтали, отвечающей 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Так, плавление льда или кристаллизация воды отвечает точке D , кипение воды-точке Е, нагревание или охлаждение воды - отрезку DE и т. п.

Диаграммы состояния изучены для ряда веществ, имеющих научное или практическое значение. В принципе они подобны рассмотренной диаграмме со­стояния воды. Однако на диаграммах состояния различных веществ могут быть особенности. Так, известны вещества, тройная точка которых лежит при давле­ ии, превышающем атмосферное. В этом случае нагревание кристаллов при ат­мосферном давлении приводит не к плавлению этого вещества, а к его сублима ции - превращению твердой фазы непосредственно в газообразную.

8.Объяснение аномалий.

Теперь мы сможем объяснить происхождение многочисленных аномалий воды. Рассмотрим аномалии плотности. Первая - резкое увеличение плотности при плавлении льда - связана с тем, что сетка водородных связей льда сильно искажается после плавления: в водной сетке углы между связями отклоняются от оптимальных тетраэдрических, в результате чего уменьшается объем пустого пространства между молекулами воды. Вторая определяется тепловой перестройкой структуры водной сетки. Чем ниже температура, тем ажурнее становится сетка, обусловливая уменьшение плотности при понижении температуры ниже 4 С. При высоких температурах перестройка структуры сетки уже мало влияет на плотность, поскольку сетка здесь сильно отличается от ажурной тетраэдрической конфигурации. Тогда становится видным общее для всех веществ (нормальное) явление увеличения расстояний между частицами при нагревании. Заметим, что приближение плотности воды при ее переохлаждении к плотности льдане означает, что структура воды становится все больше похожей на структуру льда. Хотя углы между водородными связями при этом приближаются к тетраэдрическим, но структура ажурной случайной водной сетки при низких температурах не имеет ничего общего с регулярной структурой льда Ih .

Аналогичным образом можно объяснить аномальное поведение и других свойств воды при низких температурах, например, сжимаемости. Общая причина такого аномального поведения заключается в том, что при низких температурах сетка водородных связей воды еще не очень искажена по сравнению с тетраэдрической конфигурацией, и при изменении температуры имеет первостепенное значение перестройка структуры этой сетки, которая и определяет аномальный вклад в поведение наблюдаемого нами свойства воды. При высоких температурах, когда водная сетка сильно деформирована, ее перестройка оказывает меньшее влияние на наблюдаемое свойство и вода ведет себя, как и все обычные жидкости.

Чтобы деформировать сетку при изменении температуры, перестроить ее структуру, нужно затратить энергию; это и объясняет аномальный вклад в теплоемкость. Изменение структуры сетки можно назвать изменением ее конфигурации, поэтому аномальный вклад в теплоемкость, который описывает затраты энергии на изменение структуры сетки (при увеличении температуры на один градус), называют конфигурационной теплоемкостью.Аномальный вклад в теплоемкость не исчезает вплоть до 100 °С (при обычном давлении) и его величина мало изменяется с температурой. Это означает, что сетка водородных связей в воде существует на всем интервале существования жидкости - от точки плавления до точки кипения: с ростом температуры водородные связи не разрываются, а постепенно изменяют свою конфигурацию.

Такое резкое отклонение от установленной закономерности как раз и объясняется тем, что вода является ассоциированной жидкостью. Ассоциированностьее сказывается и на очень высокой теплоте парообразования. Так, для того чтобы испарить 1 г воды, нагретой до 100 о С, требуется в шесть разбольше тепла, чем для нагрева такого же количества воды от 0 до 80 о С. Благодаря этому вода является мощнейшим энергоносителем на нашей планете.

9.Литература

Ахметов Н.С., Неорганическая химия. Москва, 1992г.

Глинка Н.Л., Общая химия. Ленинград, 1984г.

Дерпгольц В. Ф. Вода во вселенной. - Л.: "Недра", 1971.

Крестов Г. А. От кристалла к раствору. - Л.: Химия, 1977.

Хомченко Г.П. Химия для поступающих в ВУЗы. - М., 1995г.

Одно из объяснений аномалии плотности воды заключается в том, что ей приписывается тенденция к ассоциации ее молекул, которые образуют различные группы [ Н2О, (Н2О) 2, (Н2О) 3 ], удельный объем которых

различен при разных температурах различны и концентрации этих групп, следовательно, различен и их общий удельный объем.

Первое из них означает, что аномалии плотности, возникающие благодаря движению, не создают потока теплачерез нижнюю гращу. На верхней границе плотность задается, а на берегу (х 0) нормальная компонента горизонтального потока тепла считается равной нулю. Скорости и и и на берегу должны обращаться в нуль в силу условий непротекания и прилипания. Приближение гидростатики, однако так сильно упрощает динамику, что условие прилипания для и; не может быть выполнено.

Для третичных и вторичных спиртов характерна аномалия плотности паров при высоких температурах (определение по В. Третичные спирты (до Cj2) дают при температуре кипения нафталина (218е) лишь половинное значение молекулярного веса, вследствие их разложения на воду и алкилены; вторичные спирты (до С9) проявляют такую же аномалию, но.

Положительный знак работы приходится относить за счет аномалии плотности воды.

Если, как утверждает Гребе а, работы Сент-Клер Девиля способствовали, с одной стороны, объяснению замеченных аномалий плотностей паров и тем самым, хотя и косвенно, подтверждали теорию Авогадро, то, с другой

стороны, эти работы послужили стимулом для изучения химического сродства, поскольку способствовали выяснению природы определенных реакций.

Для воды уравнение (64) дает правильные результаты до температуры 4, так как она, как известно, имеет аномалию плотности. При 4 плотность воды наибольшая, ниже 4 наблюдается сложное распределение плотности, не учитываемое этим уравнением.

В силу (8.3.56) параметр X является мерой отношения (L / LH) 2 и неравенство (8.3.19 а) означает просто, что аномалии плотности, создаваемые даижением, перемешиваются на масштабе, малом по сравнению с L.

При наличии основной стратификации положительный ротор касательного напряжения ветра и связанное с ним вертикальное движение во внутренней области создают во всей этой области положительную аномалию плотности, к которой добавляется аномалия плотности из-за притока тепла на поверхности.

Если связи внутри полиэдров много сильнее, чем между полиэдрами, то только эти последние будут разупорядочены в расплаве, так что в расплаве будут существовать единицы в виде полиэдров. Некоторые аномалии плотности в жидких сплавах А1 - Fe, видимо, поддерживают эту гипотезу.

Формулировка задачи на устойчивость такого основного состояния будет дана для случая зонального течения в атмосфере. Случай океана может рассматриваться как частный случай задачи для атмосферы во всем, что касается формулировки проблемы и получается простой заменой стандартного профиля плотности ps (z) постоянным значением плотности и заменой аномалии атмосферной потенциальной температуры в аномалией океанской плотности, взятой со знаком минус.

Повышение давления смещает максимальную плотность воды в сторону более низких температур. Так, при 50 атм максимальная плотность наблюдается около О С. Выше 2000 атм аномалия плотности воды исчезает.

Таким образом, в широком интервале температур наиболее энергетически устойчивое соединение водорода и кислорода - вода. Она образует на Земле океаны, моря, льды, пары и туман, в большом количестве содержится в атмосфере, в толщах пород вода представлена капиллярной и кристаллогидратной формами. Такая распространенность и необычность свойств (аномалия плотности воды и льда, полярность молекул, способность к электролитической диссоциации, к образованию гидратов, растворов и др.)

делают воду активным химическим агентом, по отношению к которому обычно рассматривают свойства большого числа других соединений.

Жидкости, как правило, заметно расширяются при нагревании. У некоторых веществ (например, у воды) имеет место характерная аномалия в значениях изобарного коэффициента расширения. При более высоких давлениях максимум плотности (минимум удельного объема) сдвигается в сторону меньших температур, а при давлениях выше 23 МПа аномалия плотности у воды исчезает.

Эта оценка обнадеживает, поскольку величина Ба находится в неплохом соответствии с наблюдаемой глубиной термоклина, которая изменяется от 800 м в средних широтах до 200 м в тропической и полярной зонах. Так как глубина 50 значительно меньше глубины океана, представляется разумным рассматривать термоклин как пограничный слой; в соответствии с этим при постановке граничного условия на нижней границе можно считать, что температура на глубинах, больших БО, асимптотически стремится к некоторому горизонтально однородному распределению. Поскольку масштаб г уже равен D, удобно перенести начало координат на поверхность и измерять г от поверхности океана. Таким образом, при z - - аномалия плотности должна затухать, а идолжна стремиться к неизвестному пока асимптотическому значению, точно так же как вертикальная скорость, создаваемая на нижней границе экмановского слоя, не может быть задана априори.

Постоянные УП должны определяться из условий на граище. В гидростатическом слое вследствие больших градиентов плотности, создаваемых вертикальным движением (Ла S / Е) ус намного превосходит vj по величине. Вместе с тем v должно удовлетворять условию прилипания при f х О. Vn равны нулю и, следовательно, сам. Указанная трудность разрешается, если вспомнить, что во внутренней области вертикальное перемешивание плотности уравновешивает эффект вертикального движения, а в гидростат тическом слое аномалия плотности, создаваемая вертикальным движением, балансируется только эффектом горизонтального перемешивания. Таким образом, должна существовать промежуточная область между внутренней областью и гидростатическим слоем, в которой вертикальная и горизонтальная диффузии одинаково важны. Как показывает (8.3.20), эта область имеет горизонтальный масштаб Lff, так что рассчитанное с этим масштабом А равно единице.

Как известно, вода, при нагревании от нулевой температуры, сжимается, достигая наименьшего объема и, соответственно, наибольшей плотности при температуре 4 С. Исследователи из Техасского университета предложили объяснение, в котором учитывается не только взаимодействие ближайших молекул воды, но и более удаленных. Во всех 10-ти известных формах льда и в воде взаимодействие ближайших молекул происходит одинаковым образом. Иначе обстоит дело со взаимодействием более удаленных молекул. В жидкой фазе, в том интервале температур, где имеется аномалия плотности, более устойчивым является состояние с большей плотностью. Кривая зависимости плотности от температуры, которую ученые рассчитали, похожа на ту, что наблюдается для воды.

Чистая вода прозрачна и бесцветна. Она не имеет ни запаха, ни вкуса. Вкус и запах воде придают растворенные в ней примесные вещества. Многие физические свойства и характер их изменения у чистой воды аномальны. Это относится к температурам плавления и кипения, энтальпиям и энтропиям этих процессов. Аномален и температурный ход изменения плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4 С. Выше и ниже этой температуры плотность воды уменьшается. При отвердевании происходит дальнейшее резкое уменьшение плотности, поэтому объем льда на 10 % больше равного по массе объема воды при той же температуре. Все указанные аномалии объясняются структурными изменениями воды, связанными с возникновением и разрушением межмолекулярных водородных связей при изменении температуры и фазовых переходах. Аномалия плотности воды имеет огромное значение для жизни живых существ, населяющих замерзающие водоемы. Поверхностные слои воды при температуре ниже 4 С не опускаются на дно, поскольку при охлаждении они становятся более легкими. Поэтому верхние слои воды могут затвердевать, в то время как в глубинах водоемов сохраняется температура 4 С. В этих условиях жизнь продолжается.

Вода - самое удивительное и самое загадочное вещество на Земле. Она играет важнейшую роль во всех жизненных процессах и явлений, происходящих на нашей планете и за ее пределами. Именно поэтому, древние философы рассматривали воду (hydor) в качестве важнейшей составляющей части материи.

Современная наука утвердила роль воды как универсального, планетарного компонента, определяющего структуру и свойства бесчисленного множества объектов живой и неживой природы.

Развитие молекулярных и структурно-химических представлений позволило дать объяснение исключительной способности молекул воды образовывать связи с молекулами почти всех веществ.

Стала проясняться также роль связанной воды в формировании важнейших физических свойств гидратированных органических и неорганических веществ. Большой и все возрастающий научный ин­терес привлекает проблема биологической роли воды.

Заселенная живыми организмами наружная оболочка нашей пла­неты – биосфера является вместилищем жизни на Земле. Её первоосновой, ее незаменимым компонентом является вода. Вода - это и строительный материал, который используется для создания всего живого, и среда, в которой протекают все жизненные процессы, и растворитель, выносящий из орга­низма вредные для него вещества, и уникальный транспорт, снабжающий биологические структуры всем необходимым для нормального протекания в них сложнейших физико-химических процессов. И это всеобъемлющее влияние воды на любую живую структуру может быть не только по­ложительным, но и отрицательным. В зависимости от своего состояния вода может быть как созидателем цветущей жизни, так и ее разрушителем, могильщиком - всё зависит от ее химического и изотопного сос­тава, структурных, биоэнергетических свойств. Не случайно академик И. В. Петрянов сказал: "Вода - это подлинное чудо природы!".

Аномальные свойства воды были открыты учеными в результате длительных и трудоемких исследований. Эти свойства столь привычны и естественны в обыденной нашей жизни, что обычный человек даже не подозревает об их существовании. А вместе с тем вода - вечная спутница жизни на Земле действительно оригинальна и неповторима.

Аномальные свойства воды свидетельствуют о том, что молекулы Н 2 О в воде довольно прочно связаны между собой и образуют характерную молекулярную конструкцию, которая сопротивляется любым разрушающим воздействиям, например, тепловым, механическим, электрическим. По этой причине, например, необходимо затратить много тепла, чтобы превратить воду в пар. Эта особенность объясняет сравнительно высокую удельную теплоту испарения воды. Становится понятным, что структура воды, характерные связи между молекулами воды, лежат в основе особых свойств воды. Американские ученые У. Латимер и У. Родебуш предложили в 1920 г. эти особые связи называть водородными и с этого времени представление об этом типе связи между молекулами навсегда вошло в теорию химической связи. Не вдаваясь в подробности, отметим только, что происхождение водородной связи обусловлено квантово-механическиими особенностями взаимодействия протона с атомами.

Однако наличие водородной связи у воды - это всего лишь необходимое, но не достаточное условие для объяснения необычных свойств воды. Самым важным обстоятельством, объясняющим основные свойства воды, является структура жидкой воды как целостной системы.

Рис. Образование водородной связи

Еще в 1916 г. были разработаны принципиально новые представления о строении жидкости. Впервые с помощью рентгеноструктурного анализа показано, что в жидкостях наблюдается определенная регулярность расположения молекул или иначе - наблюдается ближний порядок расположения молекул. Первые ренгеноструктурные исследования воды провели нидерландские ученые в 1922 году В. Кеез и Дж. де Смедт. Ими было показано, что для жидкой воды характерна упорядоченное размещение молекул воды, т.е. вода имеет определённую регулярную структуру.

Действительно, структура воды в живом организме во многом напоминает структуру кристаллической решетки льда. И именно этим объясняются сейчас уникальные свойства талой воды, долгое время сохраняющей структуру льда. Талая вода гораздо легче обычной вступает в реакцию с различными веществами, и организму не надо тратить добавочную энергию на перестройку ее структуры.

Каждая молекула воды в кристаллической структуре льда участвует в 4 водородных связях, направленных к вершинам тетраэдра. В центре этого тетраэдра находится атом кислорода, в двух вершинах - по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей. При взаимодействии протона одной молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы возникает водородная связь, менее сильная, чем связь внутримолекулярная, но достаточно могущественная, чтобы удерживать рядом соседние молекулы воды. Каждая молекула может одновременно образовывать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, равными 109°28", направленных к вершинам тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру (при этом в структурах льда I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр правильный).

Рис. Кристаллическая структура льда

Известно, что биологические ткани на 70-90% состоят из воды. Это позволяет предполагать, что многие физиологические явления могут отображать молекулярные особенности не только растворенного вещества, но в равной степени и растворителя - воды. Подобного рода соображения, высказываемые такими крупными современными учеными, как Сент-Дьерди, Поллинг, Клотц и другие, вызвали новую волну повышенного интереса к вопросам структуры и состояния воды в различных системах.

Первую теорию о структуре воды выдвинули английские исследователи Дж.Бернал и Фаулер. Они создали концепцию о тетраэдрической структуре воды.

В августовском номере 1933 г. только что созданного международного журнала по химической физике "Journal of Chemical Physics” была опубликована их классическая работа о структуре молекулы воды и ее взаимодействии с себе подобными молекулами и ионами разных сортов.

Рис. Тетраэдрическая структура воды

В своей научной интуиции Дж. Бернал и Р. Фаулер опирались на обширный материал накопленных экспериментальных и теоретических данных в области изучения строения молекулы воды, структуры льда, строения простых жидкостей, на данные ренгеноструктурного анализа воды и водных растворов. Прежде всего они определили роль водородных связей в воде. Было известно, что в воде есть ковалентные и водородные связи. Ковалентные связи не рвутся при фазовых переходах воды: вода-пар-лед. Лишь электролиз, нагревание воды на железе и т.п. разрывает ковалентные связи воды. Водородные связи в 24 раза слабее ковалентных. При таянии льда, снега, водородные связи в образующейся воде частично сохраняются, в паре воды они все разорваны.

Рис . При таянии льда водородные периодически разрушаются и образуются снова. Время перескока составляет 10 -12 секунд.

Попытки представить воду как ассоциированную жидкость с плотной упаковкой молекул воды, подобно шарикам какой-либо емкости, не соответствовали элементарным фактическим данным. В этом случае удельная плотность воды должна была бы быть не 1 г/см 3 , а более 1,8 г/см 3 .

Второе важное доказательство в пользу особой структуры молекулы воды состояла в том, что в отличие от других жидкостей вода - это было уже известно - обладает сильным электрическим моментом, составляюющим ее дипольную структуру. Поэтому нельзя было представить наличие весьма сильного электрического момента молекулы воды в симметрической конструкции двух атомов водорода относительно атома кислорода, расположив все входящие в нее атомы по прямой линии, т.е. Н-О-Н.

Экспериментальные данные, а также математические расчеты окончательно убедили английских ученых в том, что молекула воды "однобока" и имеет "угловую" конструкцию, а оба атома водорода должны быть смещены в одну сторону относительно атома кислорода на угол 104,5 0:

Рис . справа - Строение молекулы воды

Именно поэтому модель воды Бернала-Фаулера - трехструктурная, с наличием нескольких раздельных типов структур. Согласно этой модели, структура воды определяется структурой ее отдельных молекул.

В дальнейшем была развита идея считать жидкую воду псевдокристаллом, согласно которой вода в жидком состоянии представляет собой как бы смесь трех компонент с различными структурами (структура льда, кристаллического кварца и плотно упакованная структура обычной воды).

Вода - это ажурный псевдокристалл, в котором отдельные тетраэдрические молекулы H 2 О связаны друг с другом направленными водородными связями, образуя гексагональные структуры как в структуре льда.

Рис. Вода как псевдокристалл

В дальнейшем модель воды Бернала-Фаулера была уточнена и пересмотрена. На ее основе возникли более 20 моделей структуры воды, которые можно разделить на 5 групп; 1) непрерывные, 2) смешанные модели структуры воды (двухи трехструктурные), 3) модели с заполнением пустот, 4) кластерные и 5) модели ассоциатов.

Непрерывные модели структуры воды постулируют, что вода - это единая тетраэдрическая сеть водородных связей между отдельными молекулами воды, которые искривляются при плавлении льда.

Рис. Непрерывная модель воды

Смешанные модели: вода - это смесь двух или трех структур, например, одиночных молекул, их ассоциатов различной сложности – кластеров.

Дальнейшее усовершенствование этой модели привело к созданию модели с заполнением пустот (включая клатратные модели) и к кластерным моделям. Причём кластеры могут содержать боле несколько сот молекул Н 2 О и подобно мерцающим скоплениям непрерырвно возникают и разрушаются вследствие местных флуктуаций плотности.

Широко известна кластерная модель структуры воды А.Фрэнка и В.Вена, усовершенствованная Г. Немети-Г. Шерагой (1962). По этой модели, в жидкой воде, наряду с мономерными молекулами имеются кластеры, рои молекул Н 2 О, объединенных водородными связями со временем жизни 10 -10 – 10 -11 сек. Они разрушаются и создаются вновь.

Практически все кластерные гипотезы воды основываются на том, что жидкая вода состоит из сети из 4-кратно связанных молекул Н 2 О и мономеров, которые заполняют пространство между кластерами. На граничных поверхностях кластеров имеются 1, 2или 3-х кратно связанные молекулы. Еще данную модель называют моделью "мерцающих скоплений". По С. Зенину, кластеры и ассоциаты являются основой структурной памяти воды - долговременной (стабильные) и кратковременной (лабильные, неустойчивые ассоциаты).

В настоящее время известно большое число гипотез и моделей структуры воды. Некоторые исследователи говорят о наличии в воде 10 различных структур воды с неодинаковыми кристаллическими решетками, различной плотностью и температурой плавления.

Профессор И.З. Фишер в 1961 г. ввел понятие о том, что структура воды зависит от временного интервала, в течение которого ее определяют. Он различал три вида структуры воды.

1. Мгновенная структура (время измерения t

2. Структура воды средних отрезков времени, когда t д < t > to. 1 и 2 структуры общие со структурой льда. Эта структура существует больше времени осциляции, но меньше времени диффузии t д.

3. Структура, характерная для более длительных отрезков времени (>t д), когда молекула H 2 О передвигается на большие расстояния.

Д. Эзенберг и В. Каутсман связали названия этих трех структур воды с видами движения ее молекул, 1-ю структуру они назвали І-структурой (от английского instantenous – мгновенный), 2-ю - V-структурой (от английского vibrational- вибрационный), 3-ю - D-структурой (от английского diffusion – диффузионный).

Рентгеноструктурное исследование кристаллов воды, проведенное Морганом и Уорреном, показало, что воде свойственна структура, подобная структуре льда. В воде, также как и во льду, каждый атом кислорода окружен как в тетраэдре другими атомами кислорода. Расстояние между соседними молекулами неодинаково. При 25°С каждая молекула воды в каркасе имеет одного соседа на расстоянии 2,77 Å и трех - на расстоянии 2,94 Å, в среднем - 2,90 Å. Среднее между ближайшими соседями молекулы воды примерно на 5,5% больше, чем между молекулами льда. Остальные молекулы находятся на расстояниях, промежуточных между первыми и вторыми соседними дистанциями. Расстояние 4,1 Å - это расстояние между атомами О-Н в молекуле Н 2 О.

По современным представлениям, такая структура в значительной мере определяется водородными связями, которые, объединяя каждую молекулу с ее четырьмя соседями, образуют весьма ажурную "тридимитоподобную" структуру с пустотами, превосходящими по размерам сами молекулы. Основное отличие структуры жидкой воды от льда - это более размытое расположение атомов в решетке, нарушение дальнего порядка. Тепловые колебания приводят к изгибу и разрыву водородных связей. Сошедшие с равновесных положений молекулы воды попадают в соседние пустоты структуры и на некоторое время задерживаются там, так как пустотам соответствуют относительные минимумы потенциальной энергии. Это ведет к увеличению координационного числа и к образованию дефектов решетки, наличие которых обусловливает аномальные свойства воды. Координационное число молекул (число ближайших соседей) меняется от 4,4 при 1,5 °С до 4,9 при 83 °С.

Согласно гипотезе нашего учёного соотечественника С.В. Зенина вода представляет собой иерархию правильных объемных структур "ассоциатов" (clathrates), в основе которых лежит кристаллоподобный "квант воды", состоящий из 57 ее молекул, которые взаимодействуют друг с другом за счет свободных водородных связей. При этом 57 молекул воды (квантов), образуют структуру, напоминающую тетраэдр. Тетраэдр в свою очередь состоит из 4 додекаэдров (правильных 12-гранников). 16 квантов образуют структурный элемент, состоящий из 912 молекул воды. Вода на 80% состоит из таких элементов, 15% - кванты-тетраэдры и 3% - классические молекулы Н 2 О. Таким образом, структура воды связана с так называемыми платоновыми телами (тетраэдр, додекаэдр), форма которых связана с золотой пропорцией. Ядро кислорода также имеет форму платонова тела (тетраэдра).

Элементарной ячейкой воды являются тетраэдры, содержащие связанные между собой водородными связями четыре (простой тетраэдр) или пять молекул Н 2 О (объемно-центрированный тетраэдр).

При этом у каждой из молекул воды в простых тетраэдрах сохраняется способность образовывать водородные связи. За счет их простые тетраэдры могут объединяться между собой вершинами, ребрами или гранями, образуя различные кластеры со сложной структурой, например, в форме додекаэдра.

Ри с. Возможные кластеры воды

Объединяясь друг с другом, кластеры могут образовывать более сложные структуры:

Рис. Более сложные ассоциаты кластеров воды

Рис. Формирование стабильного кластера воды из 20 отдельных молекул воды (рисунок ниже)

Профессор Мартин Чаплин рассчитал и предположил иную модель воды, в основе которой лежит икосаэдр.

Рис. Формирование икосаэдра воды

Рис. Гигантский икосаэдр воды

РИСУНКИ НИЖЕ СПРАВА

Согласно этой модели вода состоит из 1820 молекул воды - это в два раза больше, чем в модели Зенина. Гигантский икосаэдр в свою очередь состоит из 13 более мелких структурных элементов. Причем, так же как и у Зенина, структура гигантского ассоциата базируется на более мелких образованиях.

Таким образом, сейчас это является очевидным фактом, что в воде возникают ассоциаты воды, которые несут в себе очень большую энергию и информацию крайне высокой плотности.

Порядковое число таких структур воды так же высоко, как и порядковое число кристаллов (структура с максимально высоким упорядочением, которую мы только знаем), потому их также называют «жидкими кристаллами» или «кристаллической водой». Такая структура энергетически выгодна и разрушается с освобождением свободных молекул воды лишь при высоких концентрациях спиртов и подобных им растворителей [Зенин, 1994].

Кванты воды" могут взаимодействовать друг с другом за счет свободных водородных связей, торчащих наружу из вершин “кванта” своими гранями. При этом возможно образование уже двух типов структур второго порядка. Их взаимодействие друг с другом приводит к появлению структур высшего порядка. Последние состоят из 912 молекул воды, которые по модели Зенина практически не способны к взаимодействию за счет образования водородных связей. Этим и объясняется, например, высокая текучесть жидкости, состоящей из громадных полимеров. Таким образом, водная среда представляет собой как бы иерархически организованный жидкий кристалл.

Изменение положения одного структурного элемента в этом кристалле под действием любого внешнего фактора или изменение ориентации окружающих элементов под влиянием добавляемых веществ обеспечивает, согласно гипотезе Зенина, высокую чувствительность информационной системы воды. Если степень возмущения структурных элементов недостаточна для перестройки всей структуры воды в данном объеме, то после снятия возмущения система через 30-40 мин возвращается в исходное состояние. Если же перекодирование, т. е. переход к другому взаимному расположению структурных элементов воды оказывается энергетически выгодным, то в новом состоянии отражается кодирующее действие вызвавшего эту перестройку вещества [Зенин, 1994]. Такая модель позволяет Зенину объясненить "память воды" и ее информационные свойства [Зенин, 1997].

Кроме того, структурированное состояние воды оказалось чувствительным датчиком различных полей. С. Зенин считает, что мозг, сам состоящий на 90% из воды, может, тем не менее, изменять её структуру.

Рис. Отдельный кластер воды (компъютерное моделирование)

Кластерная модель воды объясняет её многие аномальные свойства.

Первое аномальное свойство воды – аномалия точек кипения и замерзания : Если бы вода - гидрид кислорода – Н 2 О была бы нормальным мономолекулярным соединением, таким, например, как ее аналоги по шестой группе Периодической системы элементов Д.И. Менделеева гидрид серы Н 2 S, гидрид селена Н 2 Se, гидрид теллура Н 2 Те, то в жидком состоянии вода существовала бы в диапазоне от минус 90 0 С до минус 70 0 С.

Рис. Аномалии точек кипения и замерзания воды по сравнению с другими соединениями водорода.

При таких свойствах во­ды жизни на Земле не существовало бы. Но к счастью для нас, и для всего живого на свете, вода аномальна. Она не признает периодических закономер­ностей, характерных для бесчисленного множества соединений на Земле и в космосе, а следует своим, еще не вполне понятным для науки законам, подарившим нам удивительный мир жизни.

"Ненормальные" температуры плавления и кипения воды далеко не единственная аномальность воды. Для всей биосферы исключительно важной особенностью воды является ее способность при замерзании увеличивать, а не уменьшать свой объем, т.е. уменьшать плотность. Это вторая аномалия воды, которая именуется аномалией плотности . На это особое свойство воды впервые обратил внимание еще Г. Галилей. При переходе любой жидкости (кроме галлия и висмута) в твердое состояние молекулы располагаются теснее, а само вещество, уменьшаясь в объеме, становится плотнее. Любой жидкости, но не воды. Вода и здесь представляет собой исключение. При охлаждении вода сначала ведет себя как и другие жидкости: постепенно уплотняясь, она уменьшает свой объем. Такое явление можно наблюдать до +4°С (точнее до +3,98°С).

Рис. Зависимосгь удельного объема льда и воды от тем­пературы. Рис. Температурная зависимость удельной теплоемкости воды.

Именно при температуре +3,98°С вода имеет наибольшую плотность и наименьший объем. Дальнейшее охлажде­ние воды постепенно приводит уже не к уменьшению, а к увеличению объема. Плавность этого процесса вдруг прерывается и при 0°С происходит резкий скачок увеличения объема почти на 10%! В это мгновение вода превращается в лед.

Уникальная особенность поведения воды при охлаждении и обра­зовании льда играет исключительно важную роль в природе и жизни. Именно эта особенность воды предохраняет от сплошного промерзания в зимний период все водоемы земли - реки, озера, моря и тем самым спасает жизнь.

В отличие от пресной воды морская вода при охлаждении ведет себя иначе. Замерзает она не при 0°С, а при минус 1,8-2,1°С - в зависимости от концентрации растворенных в ней солей. Имеет макси­мальную плотность не при + 4°С, а при -3,5°С. Таким образом она превращается в лед, не достигая наибольшей плотности. Если вертикальное перемешивание в пресных водоемах прекращается при охлажде­нии всей массы воды до +4°С, то в морской воде вертикальная цирку­ляция происходит даже при температуре ниже 0°С. Процесс обмена между верхними и нижними слоями идет непрерывно, создавая благо­приятные условия для развития животных и растительных организмов.

Особенно благоприятной средой для обитателей морей и океанов являются талые воды, образующиеся при таянии ледников и айсбергов. В безбрежных просторах океанов плавающие горы-айсберги в основном скрыты под водой, однако могут представлять серьезную опасность для судоходства. Трагедией века была названа гибель "Титаника", которая прои­зошла в результате столкновения суперлайнера с огромным айсбергом 14 апреля 1912 года.

Все термодинамические свойства воды заметно или резко отличаются от других веществ.

Наиболее важная из них – аномалия удельной теплоемкости . Аномально высокая теплоемкость воды делает моря и океаны ги­гантским регулятором температуры нашей планеты, в результате чего не происходит резкого перепада температур зимой и летом, днем и ночью. Континенты, расположенные вблизи морей и океанов, обладают мягким климатом, где перепады температуры в различные времена года бывают незначительными.

Мощные атмосферные потоки, содержащие огромное количество теплоты, поглощенное в процессе парообразования, гигантские океа­нические течения играют исключительную роль в создании погоды на нашей планете.

Аномалия теплоёмкости заключается в следующем: При нагревании любого вещества теплоемкость неизменно повыша­ется. Да, любого вещества, но не воды. Вода - исключение, она и здесь не упускает возможности быть оригинальной: с повышением тем­пературы изменение теплоемкости воды аномально; от 0 до 37°С она понижается и только от 37 до 100°С теплоемкость все время растет.

В пределах температур, близких к 37°С, теплоемкость воды минимальна. Именно эти температуры - область температур человечес­кого тела, область нашей жизни. Физика во­ды в области температур 35-41°С (пределы возможных, нормально проте­кающих физиологических процессов в организме человека) констатиру­ет вероятность достижения уникального состояния воды, когда массы квазикристаллической www.aquaberd.nm.ru/data/books/voda-i-zdorovye.htm-ftn2 и объемной воды равны друг другу и способ­ность одной структуры переходить в другую - вариабельность - максимальная. Это замечательное свойство воды предопределяет равную вероят­ность течения обратимых и необратимых биохимических реакций в орга­низме человека и обеспечивает "легкое управление" ими.

Другим общеизвестна исключительная способность воды растворять лю­бые вещества. И здесь вода демонстрирует необычные для жидкости аномалии, и в первую очередь аномалии диэлектрической постоянной воды . Это связано с тем, что ее диэлектрическая постоянная (или диэ­лектрическая проницаемость) очень велика и составляет 81, в то время как для других жидкостей она не превышает 10. В соответствии с законом Кулона сила взаимодействия двух заряженных частиц в во­де будет в 81 раз меньше, чем, например, в воздухе, где эта характеристика равна единице. В этом случае прочность внутримолекулярных связей уменьшается в 81 раз и под действием теплового движения молекулы диссоциируют с образованием ионов. Необходимо отметить, что из-за исключительной способности растворять другие вещества вода никогда не бывает идеально чистой.

Следует упомянуть еще об одном удивительной аномалии воды - исключительно высоком поверхностном натяжении . Из всех известных жидкостей только ртуть имеет более высокое поверхностное натяжение. Это свойство проявляется в том, что вода всегда стремится сократить свою поверхность.

Нескомпенсированные межмолекулярные силы наружного (поверхно­стного) слоя воды, вызванные квантовомеханическими причинами, соз­дают внешнюю упругую пленку. Благодаря пленке многие предметы, бу­дучи тяжелее воды, не погружаются в воду. Если, например, сталь­ную иголку осторожно положить на поверхность воды, то иголка не тонет. А ведь удельный вес стали почти в восемь раз больше удельно­го веса воды. Всем известна форма капли воды. Высокое поверхност­ное натяжение позволяет воде иметь шарообразную форму при свобод­ном падении.

Поверхностное натяжение и смачивание являются основой особого свойств воды и водных растворов, названного капиллярностью. Капил­лярность имеет огромное значение для жизни растительного, животного мира, формирования структур природных минералов и плодородия зем­ли. В каналах, которые во много раз уже человеческого волоса, вода приобретает удивительные свойства. Она становится более вязкой, уплотняется в 1,5 раза, а замерзает при минус 80-70°С.

Причиной сверханомальности капиллярной воды являются межмолекулярные взаимодействия, тайны которых еще далеко не раскрыты.

Ученым и специалистам известна так называемая поровая вода . В виде тончайшей пленки она устилает поверхность пор и микрополос­тей пород и минералов земной коры и других объектов живой и нежи­вой природы.

Связанная межмолекулярными силами с поверхностью других тел, эта вода, как и капиллярная вода, обладает особой структурой.

Таким образом, аномальные и специфические свойства воды играют ключевую роль в ее многообразном взаимодействии с живой и неживой природой. Все эти необычные особен­ности свойств воды настолько "удачны" для всего живого, что делает воду незаменимой основой существования жизни на Земле.

К. х. н. О. В. Мосин

Литературные источники

Белая М.Л., Левадный В.Г. Молекулярная структура воды. М.: Знание 1987. – 46 с.

Бернал Дж. Д. Геометрия построек из молекул воды. Успехи химии, 1956, т. 25, с. 643-660.

Бульенков Н.А. О возможной роли гидратации как ведущего интеграционного фактора в организации биосистем на разных уровнях их иерархии. Биофизика, 1991, т.36, в.2, с.181-243.

Зацепина Т.Н. Свойства и структура воды. М.: изд-во МГУ, 1974, - 280 с.

Наберухин Ю.И. Структурные модели жидкости. М.: Наука. 1981 – 185 с.

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.