ხალხი წყალს სჩვევია და მას ჩვეულებრივ ნივთიერებად თვლის. ისინი ხშირად ამას თავისთავად თვლიან, სანამ გვალვა არ დაემუქრება ნათესებს და სასმელ წყალს, ან ძლიერი წყალდიდობა საფრთხეს შეუქმნის სიცოცხლესა და ქონებას. ბევრს არ ესმის, რომ წყლის სტრუქტურა და მისი ანომალიური თვისებები დედამიწაზე სიცოცხლის არსებობას უზრუნველყოფს.

ერთ-ერთმა ადრეულმა ბერძენმა ფილოსოფოსმა, თალეს მილეტელმა (ძვ. წ. 640-546 წწ.) გამოიკვლია წყლის უნივერსალური ბუნება. ის მიიჩნევდა ძირითად ელემენტად, საიდანაც ყველაფერი იბადება. წყლის სიმრავლე აშკარა იყო, მაგრამ თალესმა აღნიშნა, რომ ეს იყო ერთადერთი ნივთიერება, რომელიც ბუნებრივად იყო დედამიწაზე ერთდროულად სამში. სხვადასხვა სახელმწიფოები: მყარი, თხევადი და აირისებრი. ზამთრის ცივ დღეს თოვლი და ყინული ფარავს მინდვრებს, იქვე მდინარე მიედინება და ღრუბლები ცურავს თავზე.

მატერიის ფორმები

ყველა ნივთიერება არსებობს სამ განსხვავებულ მდგომარეობაში, რომლებიც დამოკიდებულია ტემპერატურასა და წნევაზე. მყარ სხეულებს აქვთ გარკვეული ფორმა და აქვთ კრისტალური შიდა სტრუქტურა. ამ განმარტებით, შუშის მსგავსი ნივთიერება ჩაითვლება უაღრესად ბლანტი სითხედ, რადგან მას არ აქვს კრისტალური სტრუქტურა. მყარი ნივთიერებები, როგორც წესი, წინააღმდეგობას უწევს გარე გავლენებს. ისინი შეიძლება გადაიზარდოს სითხეში გაცხელებით. წყლის გაყინვის წერტილი 1 ატმოსფერო წნევის დროს არის 0 °C, რომლის ქვემოთ ის ყინულის სახით არსებობს.

სითხე, მყარისგან განსხვავებით, არ არის რთული და არ აქვს სპეციფიკური ფორმა. მას აქვს მოცულობა და იღებს იმ კონტეინერის ფორმას, რომელშიც ინახება. გარე გავლენა აიძულებს მას დინებას. წყალი სითხეა გაყინვისა და დუღილის წერტილებს შორის (100 °C). სითხეები შეიძლება გადაიზარდოს აირისებრ ფაზაში მათი დუღილის წერტილის ზემოთ გაცხელებისას.

გაზს არც ფორმა აქვს და არც გარკვეული მოცულობა. ის ფორმას იღებს და იკავებს ჭურჭლის მოცულობას, რომელშიც ის მდებარეობს. გაზი ფართოვდება და იკუმშება ტემპერატურისა და წნევის ცვლილებებთან ერთად და ადვილად ვრცელდება სხვა აირებში.

დუღილის და გაყინვის წერტილები

წყლის ანომალიური თვისებებია მისი უჩვეულოდ მაღალი დუღილის და გაყინვის წერტილები მსგავსი მოლეკულური სტრუქტურის სხვა ნაერთებთან შედარებით. სხვა მსგავსი ნივთიერებები არის აირები ნორმალურ პირობებში. მოსალოდნელია, რომ წყალს, მისი დაბალი მოლეკულური მასით, ვიდრე მსგავსი ნაერთები, უნდა ჰქონდეს დაბალი დუღილის და გაყინვის წერტილები. თუმცა, მისი მოლეკულისა და წყალბადის ბმების პოლარული ბუნების გამო, მისი დუღილის წერტილი არის 100 °C, ხოლო გაყინვის წერტილი არის 0 °C. შედარებისთვის, წყალბადის სულფიდისთვის H 2 S შესაბამისი მნიშვნელობებია -60 °C და -84 °C, წყალბადის სელენიდის H 2 Se ეს მაჩვენებელი არის -42 °C და -64 °C და წყალბადის ტელურიდისთვის -2 °. C და -49 °C.

მყარი ფაზა

როგორც წესი, ტემპერატურის კლებასთან ერთად ნივთიერებები უფრო მკვრივი ხდება და არც წყალია გამონაკლისი. მისი სიმკვრივე 25 °C-ზე არის 0,997 გ/მლ და იზრდება მაქსიმუმამდე (1 გ/მლ) T = 4 °C-ზე. გაზომვის მეტრულ სისტემაში კილოგრამი განისაზღვრება, როგორც 1 ლიტრი წყლის მასა მისი მაქსიმალური სიმკვრივით. 4°C-სა და 0°C-ის გაყინვის წერტილს შორის ხდება გასაკვირი რამ, რაც შეინიშნება ძალიან ცოტა ნივთიერებაში. წყალი თანდათან ფართოვდება, ხდება ნაკლებად მკვრივი. ყინულის სიმკვრივე 0 °C-ზე არის დაახლოებით 0,917 გ/მლ. წყლის მოლეკულები ქმნიან კრისტალებს ტეტრაედრის ფორმის (ოთხმხრივი ფიგურა, რომლის თითოეული სახე წარმოადგენს ტოლგვერდა სამკუთხედი). ვინაიდან მყარი ფაზის სიმკვრივე თხევადი ფაზის სიმკვრივეზე ნაკლებია, ყინული ცურავს. გაყინვისას წყლის მოცულობა იზრდება 1%-ით.

ძალიან მნიშვნელოვანია, რომ ყინული გაფართოვდეს და ცურავს ზედაპირზე. ამის გამო ზამთარში წყლის მილები იშლება და გზებზე ხვრელები ჩნდება. წყლის გაყინვა და დნობა დიდწილად პასუხისმგებელია ქანების განადგურებაზე და ნიადაგის წარმოქმნაზე. გარდა ამისა, თუ ტბები და ნაკადულები გაიყინება ქვემოდან ზევით, წყლის სიცოცხლე საერთოდ შეწყვეტს არსებობას და კლიმატი და ამინდის პირობები მკვეთრად შეიცვლება.

სითბოს ტევადობა

წყლის კიდევ ერთი ანომალიური თვისება არის სითბოს შთანთქმის უკიდურესად მაღალი უნარი ტემპერატურის მნიშვნელოვანი ზრდის გარეშე. მაგალითად, პლაჟზე ზაფხულის მზე იმდენად ათბობს ქვიშას, რომ შეუძლებელი ხდება მასზე სიარული. წყალი რჩება გრილი. ორივე ნივთიერება შთანთქავს თანაბარი რაოდენობით თერმული ენერგიას, მაგრამ ქვიშის ტემპერატურა უფრო მაღალია. ცეცხლზე დაკიდებული ცარიელი რკინის ქოთანი სწრაფად გახურდება, მაგრამ თუ წყლით ივსება, მისი გათბობა თანდათან ხდება. წყლის მაღალი სითბოს ტევადობა მას კარგ გამაგრილებლად ხდის კონდენსატორებსა და მანქანის რადიატორებში, რაც ხელს უშლის ძრავების გადახურებას. მისი ღირებულება 5-ჯერ აღემატება ქვიშის სითბოს და დაახლოებით 10-ჯერ მეტ რკინას.

ზღვისპირა რაიონებში ზომიერი კლიმატი გამოწვეულია მზის თერმული ენერგიის უზარმაზარი რაოდენობით შეწოვით წყლის მიერ დღის განმავლობაში და მისი ნელი გამოყოფით ღამით. სანაპიროდან დაშორებული შიდა ტერიტორიები, როგორც წესი, განიცდიან ბევრად უფრო მაღალ ტემპერატურას. დედამიწის უკიდეგანო ოკეანეები (სივრცის დაახლოებით 75%) პასუხისმგებელია ჩვენს პლანეტაზე კლიმატის ზომიერებაზე, სიცოცხლის არსებობაზე.

შერწყმისა და აორთქლების სითბო

ფაზის გადასვლის სითბო დაკავშირებულია სითბოს სიმძლავრესთან. ეს არის ნივთიერების მიერ შთანთქმული ან გამოთავისუფლებული თერმული ენერგიის რაოდენობა, რომელიც ცვლის ფაზას (თხევადიდან მყარში, ან პირიქით და თხევადიდან გაზზე ან პირიქით) ტემპერატურის ცვლილების გარეშე. შერწყმის სპეციფიკური სითბოს უჩვეულოდ მაღალი მნიშვნელობები (332.4 კჯ/კგ) და აორთქლება (2256.2 კჯ/კგ) წყლის კიდევ ერთი ანომალიური ფიზიკური თვისებებია. გაყინვა გამოყოფს იმავე რაოდენობის სითბოს, რომელიც შეიწოვება დნობის დროს.

წყლის შერწყმის სპეციფიკური სითბოს გამოყენების პრაქტიკული მაგალითია ყინულის გამოყენება იზოლირებულ მაცივარში სასმელების გასაციებლად. ყინულის დნობისას ის შთანთქავს სასმელების თერმულ ენერგიას და ინარჩუნებს მათ სიგრილეს. წყლის კონტეინერი სათბურში სიცივეში ზამთრის ღამეშეარბილებს ოთახის ტემპერატურას გაყინვის შედეგად წარმოქმნილი სითბოს გამო. ორთქლის კონდენსაცია გამოყოფს სითბოს იგივე რაოდენობას, რომელიც შეიწოვება აორთქლების დროს. აორთქლების სპეციფიკური სითბო 5-ჯერ აღემატება სითბოს, რომელიც საჭიროა ტემპერატურის 0-დან 100 °C-მდე ასამაღლებლად. წყლის ანომალიური თვისება დიდი რაოდენობით დაგროვილი თერმული ენერგიის შესანახად ხდის ორთქლის გათბობას ეფექტურს. კონდენსაციის პროცესში ორთქლი ათავისუფლებს შენახულ თერმულ ენერგიას. შუადღის ჭექა-ქუხილი ზაფხულის ცხელ დღეს არის თერმული ენერგიის განთავისუფლების კიდევ ერთი მაგალითი ზედა ატმოსფეროში, როდესაც ცხელი, ტენიანი ჰაერი კონდენსირდება. ქარიშხალიც კი ტროპიკული ოკეანეების მიერ შთანთქმული თერმული ენერგიის უზარმაზარი რაოდენობის გადანაწილების ეფექტის მაგალითია.

აორთქლების გაგრილების სისტემები მუშაობს პირიქით. აორთქლების პროცესში წყალი ჰაერიდან შთანთქავს თერმულ ენერგიას, აცივებს მას.

უნივერსალური გამხსნელი

გამხსნელს შეუძლია დაშალოს სხვა ნივთიერება და შექმნას ერთგვაროვანი ნარევი (ხსნარი) მოლეკულურ დონეზე. წყლის კიდევ ერთი ანომალიური თვისება ქიმიაში მისი პოლარული ბუნების გამო არის მისი უნარი დაითხოვოს სხვა პოლარული ნაერთები - მარილები, სპირტები, კარბოქსილის ნაერთები და ა.შ. წყალში უფრო მეტი ნივთიერება იხსნება, ვიდრე ნებისმიერ სხვა გამხსნელში. მასში გვხვდება ცნობილი ქიმიური ელემენტების ნახევარზე მეტი, ზოგი მაღალი კონცენტრაციით, ზოგი კი მხოლოდ კვალი რაოდენობით. მაგალითად, ნატრიუმის ქლორიდის გაჯერების კონცენტრაცია არის დაახლოებით 36 გ 100 მლ-ზე, ხოლო კალციუმის კარბონატი არის დაახლოებით 0,0015 გ. წყლის უნარი დაითხოვოს ნივთიერება ქიმიური შემადგენლობა, ელემენტების ქიმიური ბმების სიმტკიცე, ტემპერატურა და pH.

არაპოლარული ნაერთები, მათ შორის ნახშირწყალბადების უმეტესობა, იხსნება მცირე ან მცირე რაოდენობით. მაგალითად, ზეთები წყლის ზედაპირზე ცურავს.

ზედაპირული დაძაბულობა

წყლის ანომალიური თვისებები მოიცავს მის ყველაზე მაღალ (ვერცხლისწყლის შემდეგ) ზედაპირულ დაძაბულობას ნებისმიერ სხვა სითხესთან შედარებით. ეს არის მიზიდულობის ძალა ზედაპირის ქვემოთ მდებარე მოლეკულებსა და თხევადი ჰაერის ინტერფეისზე მდებარე მოლეკულებს შორის. ეს ხელს უშლის წყლის გავრცელებას. პოლარულ ნაერთებს აქვთ უფრო მაღალი ზედაპირული დაძაბულობა, ვიდრე არაპოლარული ნაერთები. და წყალი არ არის გამონაკლისი. 20 °C-ზე ეს მაჩვენებელია 0,07286 ნ/მ (ეთილის სპირტისთვის - 0,0228 ნ/მ).

გარეგანი გავლენის გარეშე, H 2 O-ს წვეთი იღებს სფეროს ფორმას, რადგან ამ ფიგურას აქვს ყველაზე მცირე ზედაპირის ფართობი ერთეულ მოცულობაზე. წვიმის წვეთები არის პაწაწინა ტყვიები, რომლებიც ხანგრძლივი დროის განმავლობაში ზემოქმედებისას ანადგურებს ქვებს. ამავე მიზეზით, წყალზე მძიმე საგნები შეიძლება დაიჭიროს მის ზედაპირზე. მწერებს შეუძლიათ მასზე სიარული, საპარსის დანას კი ბანაობა შეუძლია.

წყალბადის კავშირი განსაზღვრავს წყლის ანომალიურ თვისებას ზედაპირების უმეტესობის დატენიანებისთვის. ასეთი ნივთიერებები ითვლება ჰიდროფილურად. წყალი შეიძლება აწიოს ჭიქების და სხვა კონტეინერების კედლებზე. სხვა ნივთიერებები, როგორიცაა ზეთები, ცხიმები, ცვილები და სინთეტიკა (პოლიპროპილენი და ა.შ.) არ სველდება. ისინი ჰიდროფობიურები არიან. მემბრანული ფილტრის ვაზნები 1 მიკრონზე ნაკლები ზომის ფორებით დამზადებულია ჰიდროფობიური პოლიმერებისგან დამატენიანებელი საშუალებების გამოყენებით, რომლებიც ამცირებენ წყლის ზედაპირულ დაძაბულობას ისე, რომ წყალი შეაღწიოს და დარჩეს მათში. ამ ფენომენს კაპილარული ეფექტი ეწოდება. იგი პასუხისმგებელია წყლის მოძრაობაზე ნიადაგში და მცენარეების ფესვების გასწვრივ და სისხლი სისხლძარღვების მეშვეობით.

წყლის ანომალიური თვისებები და მათი მნიშვნელობა სიცოცხლისთვის

H 2 O არის ყველა ცოცხალი არსების არსებობის განუყოფელი კომპონენტი. ეს ხსნის ბოლოდროინდელ ინტერესს სამყაროს სხვა ნაწილებში წყლის პოვნის მიმართ. ყველა ცნობილი ბიოქიმიური პროცესი ხდება წყლის გარემოში. ცოცხალი არსებების უმეტესობა შეიცავს 70-80% H2O წონით.

გარდა ამისა, წყალი მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ფოტოსინთეზის პროცესში. მცენარეები იყენებენ მზის სხივის ენერგიას წყლის და ნახშირორჟანგის ნახშირწყლებად გადაქცევისთვის: 6CO 2 + 6H 2 O + 672 კკალ → C 6 H 12 O 6 + 6O 2. ფოტოსინთეზი არის ყველაზე ძირითადი და მნიშვნელოვანი ქიმიური რეაქცია დედამიწაზე. ის აწვდის საკვებ ნივთიერებებს, პირდაპირ თუ ირიბად, ყველა ცოცხალ ორგანიზმს და არის ატმოსფერული ჟანგბადის მთავარი წყარო.

წყლის ანომალიური თვისებები და მათი მიზეზები

ელემენტების უნარი, შექმნან ნაერთები, დამოკიდებულია მათი ატომების უნარზე, შეწირონ ან მიიღონ ელექტრონები. პირველი ტიპის ელემენტები ხდება დადებითად დამუხტული იონები (კათიონები), ხოლო მეორე - უარყოფითად დამუხტული ანიონები.

ელემენტის უნარს სხვა ელემენტებთან ურთიერთობისას ნაერთების წარმოქმნის ვალენტობა ეწოდება. იგი შეესაბამება მიღებული ან გაცემული ელექტრონების რაოდენობას. არაორგანული ნაერთებისთვის ელემენტების ვალენტური რიცხვების ალგებრული ჯამი არის ნული. საპირისპიროდ დამუხტული იონების ელექტროსტატიკური მიზიდულობა ნაერთის შესაქმნელად იონური კავშირი ეწოდება.

ელემენტები, რომლებიც ქმნიან წყალს (წყალბადი და ჟანგბადი) ცალკე არსებობენ H 2 და O 2 მოლეკულებში, თითოეული შეიცავს ორ ატომს. ისინი ერთმანეთთან იმართება ელექტრონული წყვილების გაცვლით ქიმიური ბმა, რომელსაც კოვალენტური ეწოდება. ის ბევრად უფრო ძლიერია ვიდრე იონური. კოვალენტური ბმის მიერ შეკავებული ორი ატომი ქმნის ბევრად უფრო სტაბილურ მოლეკულას, ვიდრე მისი შემადგენელი ნაწილები. მასში წყალბადი შერწყმულია ჟანგბადთან საერთო ელექტრონული წყვილების მეშვეობით. წარმოქმნილ ქიმიურ ნაერთში ელექტრონების ეს უნიკალური განაწილება იწვევს H ატომების განლაგებას 104,5° კუთხით O-სთან მიმართებაში.

წყლის ანომალიური ფიზიკური თვისებები აიხსნება მისი სტრუქტურითა და ქიმიური კავშირით.

ჟანგბადის ატომი შედარებით ძლიერ გავლენას ახდენს ელექტრონების საერთო წყვილზე, რის გამოც წყალბადის ატომები ხდება ელექტროპოზიტიური და ჟანგბადის ატომი ელექტრონეგატიური. ვინაიდან დადებითად და უარყოფითად დამუხტული უბნები ცენტრალურ წერტილთან მიმართებაში არათანაბრად ნაწილდება, წყლის მოლეკულა პოლარულია.

ეს ბუნება იწვევს მას ელექტროსტატიკურად მიმზიდველს სხვა H 2 O მოლეკულებისთვის, ასევე იონებისა და დამუხტული ადგილების კონტაქტურ ზედაპირებზე. წყალბადის ელექტროდადებითი ატომები იზიდავს მეზობელი წყლის მოლეკულების ელექტროუარყოფითი ჟანგბადის ატომებს. ამ ფენომენს წყალბადის კავშირი ეწოდება. მისი სიძლიერე მხოლოდ დაახლოებით 10% კოვალენტურია, მაგრამ ის პასუხისმგებელია წყლის ანომალიურ ფიზიკურ თვისებებზე. ეს მოიცავს მაღალი გაყინვის და დუღილის წერტილებს, სითბოს სიმძლავრეს, შერწყმისა და აორთქლების სპეციფიკურ სითბოს, ხსნადობას და ზედაპირულ დაძაბულობას.

წყალბადის ბმა პასუხისმგებელია H2O მოლეკულის მთლიანობის შენარჩუნებაზე ქიმიური რეაქციები. მიუხედავად იმისა, რომ სხვა ნაერთები განიცდიან იონიზაციას, წყალი თავად ინარჩუნებს თავის ქიმიურ მთლიანობას. მოლეკულების მხოლოდ შედარებით მცირე რაოდენობა იონიზებულია წყალბადის და ჰიდროქსილის იონებად. ამიტომ, H 2 O არის ელექტრული დენის შედარებით ცუდი გამტარი. თეორიულად სუფთა წყლის სპეციფიკური წინააღმდეგობა არის 18,3 MOhm∙cm, ხოლო სასმელ წყალს აქვს 10000 Ohm∙cm-ზე ნაკლები წინაღობა. ამ გზით თქვენ შეგიძლიათ მარტივად შეამოწმოთ H2O-ს სისუფთავე.

წყლის ანომალიური თვისებები აიხსნება წყალბადის ბმების არსებობით, რის გამოც ყინულს აქვს დაბალი სიმკვრივე. გაყინვისას მოლეკულები განლაგებულია მათ გასწვრივ, რაც იწვევს ნივთიერების გაფართოებას. ამ მიზეზით, ყინული ცურავს წყლის ზედაპირზე. გაზრდილი წნევა ამცირებს დნობის წერტილს. ციგურის პირით შექმნილი წნევა დნება ყინულს, ქმნის ფენას, რომელიც მოხდენილი სრიალის საშუალებას იძლევა. უკიდურესად დაბალ ტემპერატურაზეც კი, მაღალი წნევა ასუსტებს კრისტალურ გისოსს. ეს არის მიზეზი იმისა, რომ ყინულის უზარმაზარი მასები, როგორიცაა მყინვარები, თანდათან მოძრაობენ.

დიპოლური მომენტი

წყლის მოლეკულის პოლარული ბუნება იწვევს მის ორიენტირებას ელექტრულ ან მაგნიტურ ველში. ელექტროუარყოფითი ჟანგბადის ატომი გასწორებულია დადებითი პოლუსისკენ, ხოლო ელექტროდადებითი წყალბადის ატომები გასწორებულია უარყოფითი პოლუსისკენ. წყალს აქვს განსაკუთრებულად დიდი დიპოლური მომენტი, რომელიც არის მუხტებს შორის მანძილის ნამრავლი, გამრავლებული მუხტის სიდიდეზე.

დიპოლური მომენტთან დაკავშირებული კიდევ ერთი თვისებაა დიელექტრიკული მუდმივი. წყლის მოლეკულები, ელექტრულ ველში გასწორებით, მიდრეკილნი არიან მის განეიტრალებას და ქმნიან წინააღმდეგობას ელექტროსტატიკური მუხტის გადაცემის მიმართ. ნივთიერების დიელექტრიკული მუდმივი განისაზღვრება ε-ით F = Q1∙Q2/ε∙r 2 განტოლებაში, სადაც F არის ძალა ორ მუხტს შორის Q, რომელიც გამოყოფილია გარემოში r მანძილით.

როგორც დიელექტრიკული მუდმივი იზრდება, მუხტებს შორის ძალა მცირდება. მაღალი დიელექტრიკული მუდმივი ამცირებს იონებს შორის მიზიდულობის ძალას, რაც ხსნის ანომალიას ქიმიური თვისებებიწყალი ხსნის სხვადასხვა ნივთიერებებს.

დასკვნა

ადამიანისთვის წყალი ჩვეულებრივი ნივთიერებაა, რომელსაც ხშირად ცალსახად თვლიან. მიუხედავად იმისა, რომ წყლის ანომალიური თვისებები აიხსნება ატომურ დონეზე, მისი მნიშვნელობა მართლაც დიდია. აშკარაა, რომ ეს აუცილებელია დედამიწაზე სიცოცხლის არსებობისთვის. მოკლედ, წყლის ანომალიური თვისებები საშუალებას აძლევს მას გახდეს ქიმიური და ბიოქიმიური პროცესების შუამავალი, ჩამოაყალიბოს ჩვენი ბუნებრივი გარემოდა მონაწილეობა მიიღოს კლიმატისა და ამინდის შექმნაში.

წყალი ყველაზე გავრცელებული და გავრცელებული ნივთიერებაა ჩვენს ცხოვრებაში. თუმცა, მეცნიერული თვალსაზრისით, ეს არის ყველაზე უჩვეულო, ყველაზე იდუმალი სითხე. შესაძლოა, მხოლოდ თხევად ჰელიუმს შეუძლია კონკურენცია გაუწიოს მას. მაგრამ თხევადი ჰელიუმის უჩვეულო თვისებები (როგორიცაა ზესთხევადობა) ჩნდება ძალიან დაბალ ტემპერატურაზე (აბსოლუტურ ნულთან ახლოს) და განისაზღვრება კონკრეტული კვანტური კანონებით. ამიტომ, თხევადი ჰელიუმი ეგზოტიკური ნივთიერებაა. წყალი ჩვენს გონებაში არის ყველა სითხის პროტოტიპი და მით უფრო გასაკვირია, როცა მას ყველაზე უჩვეულოს ვუწოდებთ. მაგრამ რა ხდის წყალს ასე უჩვეულო? ფაქტია, რომ ძნელია დაასახელო მისი რომელიმე თვისება, რომელიც არ იქნება ანომალიური, ანუ მისი ქცევა (ტემპერატურის, წნევის და სხვა ფაქტორების ცვლილებებზე დამოკიდებულია) მნიშვნელოვნად განსხვავდება სხვა სითხეების დიდი უმრავლესობისგან, რომელშიც ეს ქცევა მსგავსია და შეიძლება აიხსნას ყველაზე ზოგადი ფიზიკური პრინციპებიდან. ასეთ ჩვეულებრივ, ჩვეულებრივ სითხეებს მიეკუთვნება, მაგალითად, გამდნარი ლითონები, თხევადი კეთილშობილი აირები (ჰელიუმის გარდა), ორგანული სითხეები (ბენზინი, რომელიც მათი ნაზავია, ან სპირტები). წყალს უდიდესი მნიშვნელობა აქვს ქიმიურ რეაქციებში, განსაკუთრებით ბიოქიმიურ რეაქციებში. ალქიმიკოსების უძველესი პოზიცია - "სხეულებს არ აქვთ ეფექტი, სანამ არ დაიშლება" - მეტწილად მართალია. ადამიანებსა და ცხოველებს შეუძლიათ პირველადი („არასრულწლოვანი“) წყლის სინთეზირება თავიანთ სხეულში და წარმოქმნან იგი საკვები პროდუქტებისა და თავად ქსოვილების წვის დროს. მაგალითად, აქლემში, კეხში შემავალ ცხიმს შეუძლია დაჟანგვის გზით 40 ლიტრი წყალი გამოიმუშაოს. კავშირი წყალსა და სიცოცხლეს შორის იმდენად დიდია, რომ მან ვერნადსკის "ცხოვრება განიხილა, როგორც სპეციალური კოლოიდური წყლის სისტემა... როგორც ბუნებრივი წყლების განსაკუთრებული სამეფო".წყალი ნაცნობი და უჩვეულო ნივთიერებაა. ცნობილმა საბჭოთა მეცნიერმა აკადემიკოსმა ი.ვ. პეტრიანოვმა უწოდა თავის პოპულარულ სამეცნიერო წიგნს წყლის შესახებ "ყველაზე უჩვეულო ნივთიერება მსოფლიოში". და ბიოლოგიურ მეცნიერებათა დოქტორმა B.F. სერგეევმა დაიწყო თავისი წიგნი "გასართობი ფიზიოლოგია" თავით წყლის შესახებ - "ნივთიერება, რომელმაც შექმნა ჩვენი პლანეტა". მეცნიერები მართლები არიან: დედამიწაზე არ არსებობს ჩვენთვის უფრო მნიშვნელოვანი ნივთიერება, ვიდრე ჩვეულებრივი წყალი, და ამავე დროს, არ არსებობს სხვა მსგავსი ნივთიერება, რომლის თვისებებსაც ექნებოდა იმდენი წინააღმდეგობა და ანომალია, რამდენიც მის თვისებებს.

1.წყლის განაწილება პლანეტა დედამიწაზე.

ჩვენი პლანეტის ზედაპირის თითქმის ¾ უკავია ოკეანეებსა და ზღვებს. მყარი წყალი - თოვლი და ყინული - მოიცავს მიწის 20%-ს. დედამიწაზე არსებული წყლის მთლიანი რაოდენობადან, რომელიც უდრის 1 მილიარდ 386 მილიონ კუბურ კილომეტრს, 1 მილიარდ 338 მილიონი კუბური კილომეტრია მსოფლიო ოკეანის მარილიანი წყლების წილი, ხოლო მხოლოდ 35 მილიონი კუბური კილომეტრია მტკნარი წყლების წილი. ოკეანის წყლის მთლიანი რაოდენობა საკმარისი იქნება დედამიწის ზედაპირის დასაფარად 2,5 კილომეტრზე მეტი. დედამიწის ყოველ მკვიდრზე არის დაახლოებით 0,33 კუბური კილომეტრი ზღვის წყალი და 0,008 კუბური კილომეტრი მტკნარი წყალი. მაგრამ სირთულე ის არის, რომ დედამიწაზე მტკნარი წყლის აბსოლუტური უმრავლესობა ისეთ მდგომარეობაშია, რაც ართულებს ადამიანებს წვდომას. მტკნარი წყლის თითქმის 70% შეიცავს პოლარული ქვეყნების ყინულოვან ფურცლებსა და მთის მყინვარებში, 30% მიწისქვეშა წყალსატევებშია, ხოლო ყველა მდინარის კალაპოტი ერთდროულად შეიცავს მხოლოდ 0,006% მტკნარ წყალს.

ვარსკვლავთშორის სივრცეში წყლის მოლეკულები აღმოაჩინეს. წყალი კომეტებისა და პლანეტების უმეტესობის ნაწილია მზის სისტემადა მათი თანმხლები.

2. წყლის იზოტოპური შემადგენლობა.

წყალბადის და ჟანგბადის ატომებს, რომლებიც ქმნიან წყალს, ან წყალბადის ოქსიდს, შეიძლება ჰქონდეთ განსხვავებული მასის რიცხვი და განსხვავდებოდეს ერთმანეთისგან მათი ფიზიკური და ქიმიური თვისებები, მაგრამ ამავე დროს მათ აქვთ იგივე ელექტრული მუხტი ატომის ბირთვებიდა ამიტომ ელემენტთა პერიოდულ სისტემაში ერთი და იგივე ადგილი იკავებს. ასეთი ჯიშების ატომები იგივე ქიმიური ელემენტიიზოტოპებს უწოდებენ. ცნობილია ხუთი წყალბადი და ხუთი ჟანგბადი. მართალია, ორი მათგანი (4 H, 5 H, 14 O და 15ო ) არის რადიოაქტიური და ძალიან ხანმოკლე. მაგალითად, წყალბადის სიცოცხლის ხანგრძლივობაა 4-4 * 10 -11 წამი წყალბადის ყველაზე ფართოდ ცნობილი იზოტოპებია: პროტიუმი 1ჰ (ნათესავი ატომური მასით 1), დეიტერიუმი 2 H, ან D (გ ფარდობითი ატომური მასა 2) და ტრიტიუმი 3 H, ან T(c ფარდობითი ატომური მასა 3), ყველაზე მძიმე, მაგრამ სუსტად რადიოაქტიური წყალბადი (მისი ნახევარგამოყოფის პერიოდი 12,3 წელია) და ჟანგბადის იზოტოპები: 16 O, 17 O და 18 O . ამ ექვს იზოტოპს შეუძლია შექმნას წყლის 18 იზოტოპური სახეობა: 1 H 2 16 O; 1 ნ

D 16 O; D 2 16 O; 1 N T 16 O; DT 16 O; T 2 O 16;

1 H 2 17 O; 1 H D 17 O; D 2 17 O; 1 N T 17 O; DT 17 O; T 2 17 O;

წყლის მოლეკულა შედგება ორი წყალბადის ატომისგან (H) და ერთი ჟანგბადის ატომისგან (O). წყლის თვისებების მთელი მრავალფეროვნება და მათი გამოვლინების უჩვეულოობა საბოლოოდ განისაზღვრება ამ ატომების ფიზიკური ბუნებით და მოლეკულაში მათი გაერთიანების გზით. წყლის ერთ მოლეკულაში, წყალბადის და ჟანგბადის ბირთვები განლაგებულია ერთმანეთთან შედარებით, რომ ისინი ქმნიან ერთგვარ ტოლფერდა სამკუთხედს შედარებით დიდი ჟანგბადის ბირთვით ზევით და ორი პატარა წყალბადის ბირთვით ფუძეზე. წყლის მოლეკულაში ოთხი დამუხტვის პოლუსია: ორი უარყოფითი ელექტრონების ჟანგბადის წყვილი ელექტრონების ჭარბი სიმკვრივის გამო და ორი დადებითი წყალბადის ბირთვების - პროტონების ელექტრონის სიმკვრივის ნაკლებობის გამო. ეს ასიმეტრიული განაწილებაა ელექტრო მუხტებიწყალს აქვს გამოხატული პოლარული თვისებები; ეს არის დიპოლური მაღალი დიპოლური მომენტით -1,87 დებაი

ამის გამო, წყლის მოლეკულები ელექტრული ველის განეიტრალებას ახდენენ. მასში ჩაძირული ნივთიერებების ზედაპირზე წყლის დიპოლების გავლენით ატომთაშორისი და ინტერმოლეკულური ძალები სუსტდება 80-ჯერ. ყველა ცნობილი ნივთიერების ასეთი მაღალი დიელექტრიკული მუდმივი თანდაყოლილია მხოლოდ წყალში. ეს ხსნის მის უნარს იყოს უნივერსალური გამხსნელი.

ეხმარება მასთან კონტაქტში მყოფ მოლეკულებს იონებად დაშლაში (მაგალითად, მჟავა მარილები), თავად წყალი ავლენს უფრო მეტ სტაბილურობას ჩვეულებრივ ტემპერატურაზე დისოცირებულ 1 მილიარდი წყლის მოლეკულიდანმხოლოდ ორია და პროტონი არ არის შენარჩუნებული თავისუფალ მდგომარეობაში, მაგრამ სავარაუდოდ ჰიდრონიუმის იონის ნაწილია. ( ჰიდრონიუმი (H 3 O +) არის ჰიდრატირებული წყალბადის იონი; არსებობს მჟავების წყალხსნარებში)

წყალი ქიმიურად არ იცვლება ნაერთების უმეტესი ნაწილის მოქმედებით, რომელიც იხსნება და არ ცვლის მათ. ეს ახასიათებს მას, როგორც ინერტულ გამხსნელს, რაც მნიშვნელოვანია ჩვენი პლანეტის ცოცხალი ორგანიზმებისთვის, რადგან მათი ქსოვილებისთვის აუცილებელი საკვები ნივთიერებები წყალხსნარებში შედარებით სტაბილური ფორმით მიეწოდება. როგორც გამხსნელი, წყალი ბევრჯერ გამოიყენება, თავის სტრუქტურაში ატარებს მასში ადრე გახსნილი ნივთიერებების მეხსიერებას.წყლის მოცულობის მოლეკულები ერწყმის საპირისპირო მუხტებს, წყალბადთაშორისი ბმები წარმოიქმნება წყალბადის ბირთვებსა და ჟანგბადის მარტოხელა ელექტრონებს შორის, აჯერებს წყალბადის ელექტრონის დეფიციტს წყლის ერთ მოლეკულაში და აფიქსირებს მას სხვა მოლეკულის ჟანგბადთან მიმართებაში. წყალბადის ღრუბლის ტეტრაედრული ორიენტაცია საშუალებას იძლევა ჩამოყალიბდეს ოთხი წყალბადის ბმა თითოეული წყლის მოლეკულისთვის, რომელიც შეიძლება ასოცირებული იყოს ოთხ მეზობელთან.ამ მოდელში, ხაზების თითოეულ წყვილს შორის კუთხეები, რომლებიც აკავშირებს ცენტრს (O ატომს) წვეროებთან, უდრის 109,5 C-ს.

წყალბადის ბმები რამდენჯერმე სუსტია ვიდრე კოვალენტური ბმები, რომლებიც აკავშირებენ ჟანგბადისა და წყალბადის ატომებს. დიდი რაოდენობით ღრუს მქონე წყლის მიკრომოლეკულური სტრუქტურა საშუალებას აძლევს მას წყალბადის ბმების გაწყვეტით, მიამაგროს მოლეკულები ან სხვა ნივთიერებების მოლეკულების ნაწილები, რაც ხელს უწყობს მათ დაშლას.
წყლის - ჟანგბადის ჰიდრიდის შედარება იმ ელემენტების ჰიდრიდებთან, რომლებიც შედის იმავე ქვეჯგუფში, როგორც ჟანგბადი პერიოდული ცხრილი DI. მენდელეევის, მოსალოდნელია, რომ წყალი უნდა ადუღდეს - 70 o C-ზე და გაიყინოს - 90 o C-ზე. მაგრამ ნორმალურ პირობებში წყალი იყინება 0 o C-ზე. ასეთი მკვეთრი გადახრა დადგენილი სქემიდან ზუსტად აიხსნება იმით, რომ წყალი ასოცირებული სითხეა. მისი ასოციაცია ასევე მოქმედებს აორთქლების ძალიან მაღალ სითბოზე. ამგვარად, 100oC-მდე გაცხელებული 1გ წყლის აორთქლებისთვის საჭიროა ექვსჯერ მეტი სითბო, ვიდრე ერთი და იგივე რაოდენობის წყლის გაცხელება 0-დან 80oC-მდე. ამის წყალობით წყალი არის ყველაზე მძლავრი ენერგიის მატარებელი ჩვენს შესახებ. პლანეტა. სხვა ნივთიერებებთან შედარებით, მას შეუძლია გაცილებით მეტი სითბო შეიწოვოს მნიშვნელოვნად გახურების გარეშე. წყალი მოქმედებს როგორც ტემპერატურის რეგულატორი, არბილებს ტემპერატურის მკვეთრ რყევებს მისი დიდი სითბოს სიმძლავრის წყალობით. 0-დან 37 o C-მდე დიაპაზონში, მისი სითბოს სიმძლავრე ეცემა და მხოლოდ 37 o C-ის შემდეგ იწყებს ზრდას. წყლის მინიმალური სითბოს სიმძლავრე შეესაბამება 36 - 39 o C ტემპერატურას - ადამიანის სხეულის ნორმალურ ტემპერატურას. ამის წყალობით სიცოცხლე შესაძლებელია თბილსისხლიანი ცხოველებისთვის, მათ შორის ადამიანებისთვის და დუღილის 100 o C-ზე.

4. წყლის ფიზიკური თვისებები, მათი ანომალიები.

სუფთა წყალი არის უფერო, უგემოვნო, უსუნო, გამჭვირვალე სითხე. წყლის სიმკვრივე გადასვლისას მისიმყარი მდგომარეობიდან თხევადში არ მცირდება, როგორც თითქმის ყველა სხვა ნივთიერება, არამედ იზრდება.

როგორც ცნობილია, წყალი აღებულია როგორც სტანდარტი ღონისძიება - სტანდარტი ყველა სხვა ნივთიერებისთვის. როგორც ჩანს, ნივთიერება, რომელიც იქცევა ყველაზე ნორმალურად, ჩვეულებრივად უნდა შეირჩეს ფიზიკური მუდმივებისთვის სტანდარტად. მაგრამ აღმოჩნდა პირიქით.

წყლის პირველი, ყველაზე გასაოცარი თვისება არის ის, რომ წყალი მიეკუთვნება ერთადერთ ნივთიერებას ჩვენს პლანეტაზე, რომელიც, ტემპერატურისა და წნევის ნორმალურ პირობებში, შეიძლება იყოს სამ ფაზაში, ან აგრეგაციის სამ მდგომარეობაში: მყარი (ყინული), თხევადი და აირისებრი (თვალისთვის უხილავი ორთქლი).

4.1. სიმკვრივის ანომალია.

ყველამ იცის სიმკვრივის ანომალია. ის ორმხრივია. პირველ რიგში, ყინულის დნობის შემდეგ, სიმკვრივე იზრდება, გადის მაქსიმუმ 4-ზე o C და მხოლოდ ამის შემდეგ მცირდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად. ჩვეულებრივ სითხეებში სიმკვრივე ყოველთვის მცირდება ტემპერატურასთან ერთად. და ეს გასაგებია. რაც უფრო მაღალია ტემპერატურა, მით მეტია მოლეკულების თერმული სიჩქარე, მით უფრო მეტად უბიძგებენ ისინი ერთმანეთს, რაც იწვევს ნივთიერების მეტ ფხვიერებას. რა თქმა უნდა, წყალში ტემპერატურის მატება ზრდის მოლეკულების თერმული სიჩქარეს, მაგრამ რატომღაც ეს იწვევს სიმკვრივის შემცირებას მხოლოდ მაღალ ტემპერატურაზე.

სიმკვრივის მეორე ანომალია არის ის, რომ წყლის სიმკვრივე ყინულის სიმკვრივეზე მეტია (ამის გამო ყინული ცურავს წყლის ზედაპირზე, ზამთარში მდინარეებში წყალი არ იყინება ძირამდე და ა.შ.). ჩვეულებრივ, დნობისას სითხის სიმკვრივე ბროლისზე ნაკლები აღმოჩნდება. ამას ასევე აქვს მარტივი ფიზიკური ახსნა. კრისტალებში მოლეკულები განლაგებულია რეგულარულად და აქვთ სივრცითი პერიოდულობა - ეს არის ყველა ნივთიერების კრისტალების თვისება. მაგრამ ჩვეულებრივ ნივთიერებებში, კრისტალებში მოლეკულები ასევე მჭიდროდ არის შეფუთული. კრისტალის დნობის შემდეგ ქრება მოლეკულების განლაგების კანონზომიერება და ეს შესაძლებელია მხოლოდ მოლეკულების უფრო თავისუფალი შეფუთვით, ანუ დნობას ჩვეულებრივ თან ახლავს ნივთიერების სიმკვრივის დაქვეითება. სიმკვრივის ასეთი კლება ძალიან მცირეა: მაგალითად, ლითონების დნობისას ის მცირდება 2-4%-ით. და წყლის სიმკვრივე აჭარბებს ყინულის სიმკვრივეს 10%-ით! ანუ ყინულის დნობის დროს სიმკვრივის ნახტომი ანომალიურია არა მხოლოდ ნიშნით, არამედ სიდიდითაც.

4.2.ზედმეტად გაციებული წყალი.

IN ბოლო დროსდიდი ყურადღება ეთმობა სუპერგაციებული წყლის თვისებების შესწავლას, ანუ თხევად მდგომარეობაში დარჩენას გაყინვის წერტილის ქვემოთ 0. o C . (წყალი შეიძლება ზედმეტად გაცივდეს თხელ კაპილარებში, ან - კიდევ უკეთესი - ემულსიის სახით: პატარა წვეთები არაპოლარულ გარემოში - „ზეთი“). რა ემართება სიმკვრივის ანომალიას, როდესაც წყალი ზედმეტად გაგრილდება? ის უცნაურად იქცევა. ერთის მხრივ, წყლის სიმკვრივე ძლიერ იკლებს სუპერგაცივებასთან ერთად (ანუ პირველი ანომალია ძლიერდება), მაგრამ, მეორე მხრივ, უახლოვდება ყინულის სიმკვრივეს ტემპერატურის კლებასთან ერთად (ანუ მეორე ანომალია სუსტდება).).

4.3 შეკუმშვის ანომალია.

აქ არის წყალში ანომალიის კიდევ ერთი მაგალითი: მისი შეკუმშვის უჩვეულო ტემპერატურული ქცევა, ანუ მოცულობა მცირდება წნევის მატებასთან ერთად, როგორც წესი, სითხის შეკუმშვა იზრდება ტემპერატურასთან ერთად: მაღალ ტემპერატურაზე სითხეები უფრო ფხვიერია (. აქვთ უფრო დაბალი სიმკვრივე) და უფრო ადვილია შეკუმშვა. წყალი ამ ნორმალურ ქცევას მხოლოდ მაღალ ტემპერატურაზე ავლენს. დაბალ ტემპერატურაზე შეკუმშვა იქცევა საპირისპიროდ, რის შედეგადაც მინიმალური ჩნდება მის ტემპერატურულ ქცევაში 45 გრადუსზე.შესახებ ს.

ამ ორ მაგალითში ჩვენ ვხედავთ, რომ წყლის უჩვეულო თვისებები ხასიათდება ექსტრემალური ქცევით, ანუ მაქსიმალური (როგორც სიმკვრივეში) ან მინიმალური (როგორც შეკუმშვაში) გამოჩენა მათ ტემპერატურაზე დამოკიდებულების მრუდებში. ასეთი უკიდურესი დამოკიდებულებები ნიშნავს, რომ წყალში ხდება დაპირისპირება ორ პროცესს შორის, რომელთაგან თითოეული იწვევს განსახილველი ქონების საპირისპირო ქცევას. ერთი პროცესი ჩვეულებრივი თერმული მოძრაობაა, რომელიც ტემპერატურის მატებასთან ერთად იზრდება და წყალს (როგორც სხვა სითხეს) უფრო მოწესრიგებულს ხდის; სხვა პროცესი უჩვეულოა, თანდაყოლილი მხოლოდ წყლისთვის, რის გამოც წყალი უფრო მოწესრიგებულია დაბალ ტემპერატურაზე. წყლის სხვადასხვა თვისებები განსხვავებულად მგრძნობიარეა ამ ორი პროცესის მიმართ და, შესაბამისად, ექსტრემის პოზიცია შეინიშნება თითოეული თვისებისთვის საკუთარ ტემპერატურაზე.

4.4.ზედაპირის დაჭიმულობა

წყლის უჩვეულო თვისებებს შორის ძნელია იგნორირება კიდევ ერთი - მისი უკიდურესად მაღალი ზედაპირული დაძაბულობა 0,073 N/m (20 o C-ზე). ყველა სითხეებიდან მხოლოდ ვერცხლისწყალს აქვს უფრო მაღალი ზედაპირული დაძაბულობა. ეს გამოიხატება იმაში, რომ წყალი მუდმივად ცდილობს მისი ზედაპირის გამკაცრებას და შემცირებას, თუმცა ის ყოველთვის იღებს იმ კონტეინერის ფორმას, რომელშიც ამჟამად მდებარეობს. წყალი მხოლოდ უფორმო ჩანს, ვრცელდება ნებისმიერ ზედაპირზე. ზედაპირული დაძაბულობის ძალა იწვევს მისი გარე ფენის მოლეკულების შეკვრას, რაც ქმნის ელასტიურ გარე ფენას. ფილმის თვისებებს ასევე განსაზღვრავს დახურული და ღია წყალბადის ბმები, სხვადასხვა სტრუქტურის ასოცირებული და სხვადასხვა ხარისხის წესრიგი. ფილმის წყალობით, ზოგიერთი ობიექტი, რომელიც წყალზე მძიმეა, არ არის ჩაძირული წყალში (მაგალითად, ფოლადის ნემსი საგულდაგულოდ დადებული). ბევრი მწერი (წყლიანი მწერები, ზამბარები და ა.შ.) არა მხოლოდ მოძრაობს წყლის ზედაპირზე, არამედ აფრინდება მისგან და მიწაზე თითქოს მყარ საყრდენზე ეშვება. უფრო მეტიც, ცოცხალი არსებები ადაპტირებულნი არიან წყლის ზედაპირის შიდა მხარესაც კი. მასზე კოღოს ლარვები ეკიდება არადასველებადი ჯაგარის დახმარებით, ხოლო პატარა ლოკოკინები - ტბის ლოკოკინები და ხვეული ლოკოკინები - დაცოცავენ მის გასწვრივ მტაცებლის საძიებლად.

მაღალი ზედაპირული დაძაბულობა საშუალებას აძლევს წყალს მიიღოს სფერული ფორმა თავისუფალ ვარდნაში ან უწონად მდგომარეობაში: ამ გეომეტრიულ ფორმას აქვს მინიმალური ზედაპირის ფართობი მოცემული მოცულობისთვის დაჭიმვის სიძლიერით ჩამოუვარდება იმავე განივი კვეთის ფოლადს. წყლის ნაკადი ცემენტირებულია, როგორც იქნა, ზედაპირული დაძაბულობის ძალით. წყლის ქცევა კაპილარებში ასევე ექვემდებარება უფრო რთულ ფიზიკურ კანონებს. სენტ-გიორგიმ აღნიშნა, რომ წყლის სტრუქტურულად მოწესრიგებული ფენები ჩნდება ვიწრო კაპილარებში მყარ ზედაპირთან. სტრუქტურირება ვრცელდება თხევადი ფაზის სიღრმეში ათობით და ასობით მოლეკულის რიგის ფენის სისქემდე (ადრე ითვლებოდა, რომ შეკვეთა შემოიფარგლებოდა მხოლოდ ზედაპირის მიმდებარე წყლის მონომოლეკულური ფენით). კაპილარულ სისტემებში წყლის სტრუქტურირების თავისებურებები საშუალებას გვაძლევს გარკვეული საფუძვლებით ვისაუბროთ წყლის კაპილარული მდგომარეობის შესახებ. IN ბუნებრივი პირობებიეს მდგომარეობა შეიძლება შეინიშნოს ე.წ. თხელი ფილმის სახით იგი ფარავს ღრუების ზედაპირს, ფორებს, ქანების ბზარებს და მინერალებს. დედამიწის ქერქი. განვითარებული ინტერმოლეკულური კონტაქტები ზედაპირთან მყარისტრუქტურული წესრიგის თავისებურებები ალბათ არის მიზეზი იმისა, რომ ფორების წყალი იყინება უფრო დაბალ ტემპერატურაზე, ვიდრე ჩვეულებრივი - თავისუფალი წყალი. კვლევამ აჩვენა, რომ გაყინვისას შეკრული წყალიჩნდება არა მხოლოდ მისი თვისებების ცვლილებები, არამედ მათი თვისებები კლდეები, რომელთანაც უშუალო კავშირშია.

4.5.

რა არის ეს უჩვეულო პროცესი, რომელიც ხდება წყალში და ხდის მას სხვა სითხეებისგან განსხვავებით? მისი ფიზიკური არსის გასაგებად, განვიხილოთ წყლის კიდევ ერთი, ჩემი აზრით, ყველაზე ძლიერი ანომალია - მისი სითბოს სიმძლავრის ტემპერატურული ქცევა. სითბოს სიმძლავრის მნიშვნელობა, როგორც ცნობილია, გვიჩვენებს, რამდენი სითბოა საჭირო ნივთიერების ტემპერატურის ერთი გრადუსით ასამაღლებლად. ნივთიერებების აბსოლუტური უმრავლესობისთვის, სითხის სითბოს მოცულობა ბროლის დნობის შემდეგ ოდნავ იზრდება - არაუმეტეს 10%. სხვა რამ არის წყალი. როდესაც ყინული დნება, სითბოს სიმძლავრე გადახტება 9-დან 18 კალ/მოლ" გრადუსამდე, ანუ ორჯერ! დნობის დროს სითბოს სიმძლავრის ასეთი უზარმაზარი ნახტომი არცერთ სხვა ნივთიერებაში არ შეინიშნება: აქ წყალი აბსოლუტური რეკორდსმენია. ყინულში. გათბობისთვის მიწოდებული ენერგია ძირითადად იხარჯება მოლეკულების თერმული სიჩქარის მატებაზე დნობის შემდეგ სითბოს სიმძლავრის ნახტომი ნიშნავს, რომ წყალში იხსნება ზოგიერთი ახალი (და ძალიან ენერგო ინტენსიური პროცესები), რომლებიც მოიხმარენ მიწოდებულ სითბოს. და რომლებიც იწვევს ასეთი ჭარბი სითბოს სიმძლავრის წარმოქმნას და, შესაბამისად, ხსენებული ენერგიით ინტენსიური პროცესები არსებობს ტემპერატურის მთელ დიაპაზონში, როდესაც წყალი თხევად მდგომარეობაშია, ანუ ეს ანომალია არის წყლის თხევადი მდგომარეობის თვისება. წყლის თბოტევადობა ანომალიურია არა მხოლოდ მისი მნიშვნელობით, არამედ მისი ბუნებითაც 37 o C, ხოლო ტემპერატურის შემდგომი მატებასთან ერთად ის იზრდება. წყლის სპეციფიკური სითბოს სიმძლავრის მინიმალური მნიშვნელობა აღმოჩნდა 36,79 o C ტემპერატურაზე და ეს არის ადამიანის სხეულის ნორმალური ტემპერატურა! თითქმის ყველა თბილსისხლიანი ცოცხალი ორგანიზმის ნორმალური ტემპერატურაც ამ წერტილთან ახლოსაა მძიმე ჰიპოთერმიით, სითბოს სიმძლავრე მნიშვნელოვნად იზრდება, ანუ ანომალიური წვლილი მასში კიდევ უფრო იზრდება. სუპერგაციებული წყალი უფრო არანორმალურია ვიდრე ჩვეულებრივი წყალი.

5.ყინულის სტრუქტურა და ფორმა.

გამაგრილებელი წყალი შიგნით ნორმალური პირობები 0 o C-ზე დაბლა ის კრისტალიზდება, წარმოქმნის ყინულს, რომლის სიმკვრივე ნაკლებია და მოცულობა თითქმის 10%-ით აღემატება თავდაპირველი წყლის მოცულობას. როდესაც წყალი გაცივდება, ის იქცევა ისევე, როგორც ბევრი სხვა ნაერთი: თანდათან უფრო მკვრივი ხდება და ამცირებს მის სპეციფიკურ მოცულობას. მაგრამ 4 o C-ზე (უფრო ზუსტად, 3.98 o C-ზე) ხდება კრიზისული მდგომარეობა: ტემპერატურის შემდგომი შემცირებით, წყლის მოცულობა აღარ მცირდება, არამედ იზრდება. ამ მომენტიდან იწყება მოლეკულების ურთიერთგანლაგების მოწესრიგება და ყალიბდება ყინულისთვის დამახასიათებელი ექვსკუთხა კრისტალური სტრუქტურა. ყინულის სტრუქტურაში თითოეული მოლეკულა დაკავშირებულია წყალბადის ბმებით ოთხ სხვასთან. ეს იწვევს ღია სტრუქტურის ფორმირებას „არხებით“ ყინულის ფაზაში ფიქსირებულ წყლის მოლეკულებს შორის. ზოგიერთი ორგანული ნივთიერების წყალხსნარებში წყლის მოლეკულების მოწესრიგებული ჯგუფები ჩნდება მინარევების მოლეკულების გარშემო, "თხევადი ყინულის" თავისებური ზონები, რომლებსაც აქვთ კუბური სტრუქტურა, რომელიც ხასიათდება ექვსკუთხასთან შედარებით უფრო დიდი ფხვიერებით. ასეთი ყინულის გამოჩენა იწვევს მთელი გაყინული მასის მნიშვნელოვან გაფართოებას. როდესაც ყინული ჩნდება, ნადგურდება არა მხოლოდ შორ მანძილზე, არამედ მოკლე დისტანციური რიგის ობლიგაციები. ამრიგად, 0 o C9-ზე - H 2 O მოლეკულების 15% კარგავს კავშირებს ნაერთებთან, რის შედეგადაც იზრდება ზოგიერთი მოლეკულის მობილურობა და ისინი ჩავარდებიან იმ ღრუებში, რომლებითაც მდიდარია ყინულის ღია სტრუქტურა. ამით აიხსნება ყინულის შეკუმშვა დნობის დროს და მიღებული წყლის უფრო დიდი სიმკვრივე მასთან შედარებით. ყინულ-წყალზე გადასვლისას სიმკვრივე იზრდება დაახლოებით 10%-ით და შეგვიძლია ვივარაუდოთ, რომ ეს მნიშვნელობა გარკვეულწილად ახასიათებს ღრუებში ჩარჩენილი H2O მოლეკულების რაოდენობას.

მყარ წყალში (ყინული), თითოეული მოლეკულის ჟანგბადის ატომი მონაწილეობს მეზობელ მოლეკულებთან ორი წყალბადის ბმის ფორმირებაში. კულამიწყალი სქემის მიხედვით, რომელშიც წყალბადის ბმები გამოსახულია წერტილოვანი ხაზებით

წყალბადის ობლიგაციების წარმოქმნა იწვევს წყლის მოლეკულების მოწყობას, რომლებშიც ისინი შედიან კონტაქტში ერთმანეთთან საპირისპირო პოლუსებით. მოლეკულები ქმნიან ფენებს და თითოეული მათგანი დაკავშირებულია იმავე ფენასთან მიკუთვნებულ სამ მოლეკულასთან, ხოლო მეზობელი ფენის ერთთან. , მასში არის სიცარიელეები, ზომები, რომლებიც ოდნავ აღემატება მოლეკულის ზომას .

ყინულის სტრუქტურის დამახასიათებელი თვისება ის არის, რომ მასში არსებული მოლეკულები თავისუფლად არის შეფუთული. თუ ჩვენ გამოვსახავთ მოლეკულას ბურთის სახით, მაშინბურთების მჭიდრო შეფუთვაში, თითოეული მათგანის გარშემო იქნება 12 მეზობელი. ყინულში მხოლოდ ოთხი მათგანია. თუ ყინულში წყლის მოლეკულები მჭიდროდ იყო შეფუთული, მაშინ მისი სიმკვრივე იქნებოდა 2,0 გ/სმ3, სინამდვილეში კი 0,92 გ/სმ3. როგორც ჩანს, ნაწილაკების შეფუთვის სიმსუბუქემ, ანუ მასში დიდი მოცულობის სივრცის არსებობა, რომელიც არ არის სავსე მოლეკულებით, უნდა გამოიწვიოს სტრუქტურის არასტაბილურობა. მაგალითად, მოსალოდნელია, რომ ყინულის შეკუმშვისას გარე წნევით, წყალბადის ბმების ქსელი განადგურდება და სტრუქტურაში არსებული სიცარიელეები ადვილად დაიშლება და ივსება ამ ქსელიდან მოწყვეტილი მოლეკულებით. მაგრამ ეს ასე არ იყო! სინამდვილეში, წყალბადის ბმების ქსელი არ არის განადგურებული, არამედ გადაწყობილი. წნევის მატებასთან ერთად, ჩვეულებრივი ექვსკუთხა ყინული ცვლის თავის სტრუქტურას.

ცნობილია, რომ ყინულის ათი ფორმა სტაბილურია მაღალი წნეხები. და ყველა მათგანი ინარჩუნებს წყალბადის ბმების ოთხჯერ კოორდინირებულ ქსელს, ანუ წყლის თითოეული მოლეკულა ინარჩუნებს მათში ოთხივე წყალბადის კავშირს.

მე - ჩვეულებრივი ყინული, რომელიც არსებობს 2200 ატმ-მდე წნევით, წნევის შემდგომი მატებით იქცევა II;

II – ყინული მოცულობის შემცირებით 18%-ით, იძირება წყალში, ძალიან არასტაბილურია და ადვილად იქცევა. III;

III - ასევე უფრო მძიმეა ვიდრე წყალი და მისი მიღება შესაძლებელია უშუალოდ ყინულისგანმე ;

IV - მსუბუქია ვიდრე წყალი, არსებობს დაბალ წნევაზე და 0-ზე ოდნავ ქვემოთ ტემპერატურაზე° C, არასტაბილურია და ადვილად იქცევა ყინულადმე ;

ვ - შეიძლება არსებობდეს 3600-დან 6300 ატმ-მდე წნევით, ის ყინულზე მკვრივია III , როდესაც წნევა იზრდება, ის მყისიერად იქცევა ყინულად აფეთქებით VI;

V I – ყინულზე მკვრივი V , დაახლოებით 21,000 ატმოსფეროზე აქვს ტემპერატურა +76° თან; შეიძლება მიღებულ იქნას უშუალოდ წყლისგან +60 ტემპერატურაზე° C და წნევა 16500 ატმ.

ყინულის სტრუქტურას, რომელშიც ყველა კუთხე მეზობელ წყალბადის ობლიგაციებს შორის ტოლია ტეტრაედრული კუთხის ტოლია, აქვს მინიმალური სიმკვრივე (უმაღლესი სისუსტე), რაც შესაძლებელია ოთხმაგი კოორდინირებული ქსელებისთვის. როდესაც ასეთი ქსელი დეფორმირებულია, სიმკვრივე აუცილებლად იზრდება, ასე რომ, მაგალითად, ice III-ისთვის ის არის 1,15 გ/სმ3, ანუ 25%-ით მეტი ვიდრე ყინულში.

ასე რომ, გარე გავლენის ქვეშ (მზარდი წნევა), ყინულში წყალბადის ბმების ქსელი არ ნადგურდება, არამედ გადაწყობილია, ინარჩუნებს ოთხმაგ კოორდინაციას. უფრო მომგებიანი აღმოჩნდება არა წყალბადის ბმის გაწყვეტა, არამედ ყველა მათგანის შენარჩუნება, მხოლოდ ქსელის დეფორმირებით, ობლიგაციებს შორის კუთხეების ოდნავ შეცვლით. ეს საოცარი სტრუქტურული სტაბილურობა წყლის მოლეკულებს შორის წყალბადის ბმების ქსელების ყველაზე მნიშვნელოვანი თვისებაა.

6.წყლის აგებულება და რესტრუქტურიზაცია.

ახლა ადვილი წარმოსადგენია, რა ხდება ყინულის დნობისას. წყალბადის ბმების ქსელი აქაც არ უნდა განადგურდეს, მაგრამ კრისტალური წესრიგი უნდა გაქრეს. ეს ნიშნავს, რომ წყლის თითოეულმა მოლეკულამ თხევად მდგომარეობაში უნდა შეინარჩუნოს თავისი ოთხი წყალბადის ბმა, მაგრამ მათ შორის კუთხეები განსხვავდება qT-სგან, რაც იწვევს მისი სიმკვრივის მატებას ყინულთან შედარებით Ih. რით განსხვავდება წყალბადის ბმების ქსელის სტრუქტურა თხევად წყალში ქსელების სტრუქტურებისგან ყინულის ფორმებით, რომლებიც სტაბილურია მაღალი წნევის დროს? სივრცითი პერიოდულობის ნაკლებობა. ყინულისგან განსხვავებით, წყლის ქსელში შეუძლებელია სხვადასხვა ადგილას ტერიტორიების იდენტიფიცირება, რომლებიც სტრუქტურაში იდენტური იქნება. წყალში ბადე შემთხვევითია. მასში ბმებს შორის კუთხეები გადახრილია qT-დან არა რაიმე კონკრეტული კანონის მიხედვით, როგორც კრისტალებში, არამედ შემთხვევით. კრისტალში, ყოველი მოლეკულის გარშემო, მეზობელი ნაწილაკები განლაგებულია ერთნაირად, მაგრამ სითხეში, თითოეული მოლეკულის გარემო განლაგებულია სპეციალური (მაგრამ შემთხვევითი) გზით. ამ მიზეზით, შემთხვევითი ქსელის სტრუქტურა არ შეიძლება განისაზღვროს რენტგენის დიფრაქციული ანალიზით, რომელიც ავლენს მხოლოდ ერთნაირად გარშემორტყმული ნაწილაკების ნიმუშებს.

ეს ნიშნავს, რომ წყლის მოლეკულური სტრუქტურა, ანუ მისი ყველა მოლეკულის სპეციფიკური პოზიცია, ექსპერიმენტულად შეუძლებელია. აქ აუცილებელია სხვა კვლევის მეთოდების გამოყენება და, უპირველეს ყოვლისა, მოდელირება. კომპიუტერის გამოყენებით, თქვენ შეგიძლიათ მოაწყოთ ნაწილაკების არც თუ ისე დიდი ანსამბლის მოძრაობა (დაახლოებით ათასი) და მიიღოთ ინფორმაცია თითოეული მოლეკულის პოზიციის შესახებ, თუ გააკეთებთ გარკვეულ (მოდელურ) ვარაუდებს მათი ურთიერთქმედების კანონების შესახებ. მეცნიერები მთელ მსოფლიოში ახლა მუშაობენ ამ საინტერესო ამოცანაზე. ყველა მკვლევარი თანხმდება, რომ სტრუქტურის საფუძველია წყალბადის ბმების ქსელი, რომელიც მოიცავს წყლის ყველა მოლეკულას; უთანხმოება ძირითადად ეხება ამ ბადის დიზაინს.

ამრიგად, წყლის სტრუქტურის ყველაზე რეალური სურათი არის წყალბადის ბმების შემთხვევითი ოთხჯერ კოორდინირებული ქსელი. ეს ზოგადი იდეა საკმაოდ საკმარისია ჩვენი განხილვისთვის. როგორ შეიძლება აიხსნას წყლის ანომალიები ამ თვალსაზრისით? ნებისმიერი ცვლილება ქსელში გარე გავლენის ქვეშ შეიძლება იყოს: 1) სტრუქტურის შეცვლის გარეშე (მაგალითად, ობლიგაციების სიგრძის შეცვლა); 2) ბადის სტრუქტურის ცვლილებით (ბმების სიგრძის შეცვლის გარეშე). ტემპერატურის მატებასთან ერთად ყველა ბმის გახანგრძლივება პირველი ტიპის ცვლილებაა და საერთოა ყველა ნივთიერებისთვის, წყლის ჩათვლით. მაგრამ წყალში მეორე ფაქტორი ასევე მნიშვნელოვან როლს ასრულებს. დაბალ ტემპერატურაზე სტრუქტურა უფრო მოწესრიგებულია, ანუ ქსელში წყალბადის ობლიგაციებს შორის კუთხეები ნაკლებად გადახრილია ტეტრაედრული კუთხიდან qT, ამიტომ ის უფრო ღიაა (უფრო ფხვიერი, აქვს დაბალი სიმკვრივე) და უფრო რთული. დეფორმირება. როდესაც ტემპერატურა იცვლება, ბადე აღდგება და იცვლის მის სტრუქტურას. ეს უნდა იქნას გაგებული არა მხოლოდ როგორც კავშირებს შორის კუთხეების ცვლილება, არამედ როგორც ქსელის კვანძების (მოლეკულების) დაკავშირების ხასიათის ცვლილება: მაგალითად, სხვადასხვა ტიპის რგოლების რაოდენობის ცვლილება, მსგავსი. ხდება ყინულიდან Ih-ზე გადასვლისას ყინული III. მაგრამ თუ დაბალ ტემპერატურაზე, კრისტალურ ფაზაში, ყინულის ათი ფორმადან თითოეულის სტრუქტურა უცვლელი რჩებოდა სასრულ ტემპერატურულ დიაპაზონში და ქსელი გადააწყდა ერთი დისკრეტული ფორმიდან მეორეზე გადასვლისას, მაშინ სითხეში წყალბადის ბმების ქსელი მუდმივად იცვლება ტემპერატურის ცვლილებებით.

7. წყლის მდგომარეობის დიაგრამა.

ფაზური დიაგრამა (ან ფაზური დიაგრამა) არის სისტემის მდგომარეობის დამახასიათებელ სიდიდეებსა და სისტემაში ფაზურ გარდაქმნებს შორის კავშირის გრაფიკული წარმოდგენა (გადასასვლელი მყარიდან თხევადზე, თხევადიდან აირისებრზე და ა.შ.). ფაზის დიაგრამები ფართოდ გამოიყენება ქიმიაში. ერთკომპონენტიანი სისტემებისთვის ჩვეულებრივ გამოიყენება ფაზური დიაგრამები, რომლებიც აჩვენებენ ფაზური გარდაქმნების დამოკიდებულებას ტემპერატურასა და წნევაზე, მათ უწოდებენ ფაზურ დიაგრამებს P-T კოორდინატებში.

ფიგურაში ნაჩვენებია წყლის მდგომარეობის დიაგრამა სქემატური ფორმით. დიაგრამაზე ნებისმიერი წერტილი შეესაბამება ტემპერატურისა და წნევის გარკვეულ მნიშვნელობებს.

დიაგრამა აჩვენებს წყლის იმ მდგომარეობებს, რომლებიც თერმოდინამიკურად სტაბილურია ტემპერატურისა და წნევის გარკვეულ მნიშვნელობებზე. იგი შედგება სამი მრუდისგან, რომლებიც ჰყოფს ყველა შესაძლო ტემპერატურასა და წნევას სამ რეგიონად, რომლებიც შეესაბამება ყინულს, სითხეს და ორთქლს.

მოდით განვიხილოთ თითოეული მრუდი უფრო დეტალურად. დავიწყოთ მრუდით OAორთქლის რეგიონის გამოყოფა თხევადი რეგიონისგან. წარმოვიდგინოთ ცილინდრი, საიდანაც ამოღებულია ჰაერი, რის შემდეგაც მასში შეჰყავთ გარკვეული რაოდენობის სუფთა წყალი, თავისუფალი დაშლილი ნივთიერებებისგან, მათ შორის გაზებისგან; ცილინდრი აღჭურვილია დგუშით, რომელიც ფიქსირდება გარკვეულ მდგომარეობაში. გარკვეული პერიოდის შემდეგ, წყლის ნაწილი აორთქლდება და გაჯერებული ორთქლი იარსებებს მის ზედაპირზე. შეგიძლიათ გაზომოთ მისი წნევა და დარწმუნდეთ, რომ ის არ იცვლება დროთა განმავლობაში და არ არის დამოკიდებული დგუშის პოზიციაზე. თუ მთელ სისტემას გავზრდით ტემპერატურას და ისევ გავზომავთ გაჯერებულ ორთქლის წნევას, გამოვა, რომ ის გაიზარდა. ასეთი გაზომვების განმეორებით სხვადასხვა ტემპერატურაზე ვიპოვით გაჯერებული წყლის ორთქლის წნევის დამოკიდებულებას ტემპერატურაზე. მრუდი OAარის ამ ურთიერთობის გრაფიკი: მრუდის წერტილები აჩვენებს ტემპერატურისა და წნევის იმ წყვილებს, რომლებშიც თხევადი წყალი და წყლის ორთქლი ერთმანეთთან წონასწორობაშია - ისინი თანაარსებობენ. მრუდი OAსითხე-ორთქლის წონასწორობის მრუდი ან დუღილის მრუდი. ცხრილი გვიჩვენებს გაჯერებული წყლის ორთქლის წნევის მნიშვნელობებს რამდენიმე ტემპერატურაზე.

ტემპერატურა	გაჯერებული ორთქლის წნევა		ტემპერატურა	გაჯერებული ორთქლის წნევა
	კპა	მმ Hg ხელოვნება.		კპა	მმ Hg ხელოვნება.
	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

შევეცადოთ შევქმნათ ცილინდრში ისეთი წნევა, რომელიც განსხვავდება წონასწორობისგან, მაგალითად, წონასწორზე ნაკლები. ამისათვის გაათავისუფლეთ დგუში და აწიეთ იგი. პირველ მომენტში, ცილინდრში წნევა მართლაც დაეცემა, მაგრამ მალე წონასწორობა აღდგება: წყლის დამატებითი რაოდენობა აორთქლდება და წნევა კვლავ მიაღწევს წონასწორობის მნიშვნელობას. მხოლოდ მაშინ, როცა მთელი წყალი აორთქლდება, შეიძლება წონასწორობაზე ნაკლები წნევის მიღწევა. აქედან გამომდინარეობს, რომ წერტილები დევს მდგომარეობის დიაგრამაზე ქვემოთ ან მრუდის მარჯვნივ OA,ორთქლის რეგიონი პასუხობს თუ თქვენ ცდილობთ წონასწორობას აღემატებოდეს წნევის შექმნას, ამის მიღწევა შესაძლებელია მხოლოდ დგუშის წყლის ზედაპირზე დაწევით. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, დიაგრამის წერტილები, რომლებიც მდებარეობს OA მრუდის ზემოთ ან მარცხნივ, შეესაბამება თხევადი მდგომარეობის რეგიონს.

რა მანძილზე ვრცელდება თხევადი და ორთქლის მდგომარეობების რეგიონები მარცხნივ? აღვნიშნოთ ერთი წერტილი ორივე სფეროში და ჩვენ მათგან ჰორიზონტალურად მარცხნივ გადავალთ. დიაგრამაზე წერტილების ეს მოძრაობა შეესაბამება სითხის ან ორთქლის გაციებას მუდმივი წნევით. ცნობილია, რომ თუ წყალი ნორმალურად გაცივდა ატმოსფერული წნევა, მაშინ როცა 0°C-ს მიაღწევს წყალი დაიწყებს გაყინვას. მსგავსი ექსპერიმენტების ჩატარებისას სხვა წნეხებზე მივდივართ მრუდზე OS,თხევადი წყლის რეგიონის გამოყოფა ყინულის რეგიონისგან. ეს მრუდი არის მყარი-თხევადი წონასწორობის მრუდი, ან დნობის მრუდი, - აჩვენებს ტემპერატურისა და წნევის იმ წყვილებს, რომლებშიც ყინული და თხევადი წყალი წონასწორობაშია.

ორთქლის არეში ჰორიზონტალურად მარცხნივ გადაადგილებით (დიაგრამის ქვედა ნაწილში), ანალოგიურად მივდივართ მრუდზე. 0 ვ.ეს არის მყარი ორთქლის წონასწორობის მრუდი, ან სუბლიმაციის მრუდი. იგი შეესაბამება ტემპერატურისა და წნევის იმ წყვილებს, რომლებშიც ყინული და წყლის ორთქლი წონასწორობაშია.

სამივე მრუდი იკვეთება წერტილში შესახებ.ამ წერტილის კოორდინატები არის ტემპერატურისა და წნევის მნიშვნელობების ერთადერთი წყვილი. რომელშიც სამივე ფაზა შეიძლება იყოს წონასწორობაში: ყინული, თხევადი წყალი და ორთქლი. ჰქვია სამმაგი წერტილი.

დნობის მრუდი შესწავლილი იქნა ძალიან მაღალ წნევამდე ყინულის რამდენიმე მოდიფიკაცია აღმოაჩინეს ამ რეგიონში (დიაგრამაზე არ არის ნაჩვენები).

მარჯვნივ, დუღილის მრუდი მთავრდება კრიტიკული წერტილი . ამ წერტილის შესაბამის ტემპერატურაზე - კრიტიკული ტემპერატურა- სითხისა და ორთქლის ფიზიკური თვისებების დამახასიათებელი რაოდენობები იდენტური ხდება, ისე რომ თხევადი და ორთქლის მდგომარეობებს შორის განსხვავება ქრება.წყლის ფაზურ დიაგრამაზე OC მიდის მარცხნივ, ხოლო თითქმის ყველა სხვა ნივთიერებისთვის მარჯვნივ.

გარდაქმნები, რომლებიც ხდება წყალთან ატმოსფერული წნევის დროს, აისახება დიაგრამაზე 101,3 კპა (760 მმ Hg) ჰორიზონტალურ ხაზზე მდებარე წერტილებით ან სეგმენტებით. ამრიგად, ყინულის დნობა ან წყლის კრისტალიზაცია შეესაბამება წერტილსდ, წყლის დუღილის წერტილი E,გათბობის ან გაგრილების წყალი - ჭრაDEდა ა.შ.

ფაზის დიაგრამები შესწავლილია მთელი რიგი ნივთიერებებისთვის, რომლებსაც აქვთ სამეცნიერო ან პრაქტიკული მნიშვნელობა. პრინციპში, ისინი ჰგავს წყლის მდგომარეობის განხილულ დიაგრამას. თუმცა, სხვადასხვა ნივთიერების ფაზურ დიაგრამებში შეიძლება არსებობდეს მახასიათებლები. ამრიგად, ცნობილია ნივთიერებები, რომელთა სამმაგი წერტილი მდგომარეობს ატმოსფერულ წნევაზე აღემატება წნევაზე. ამ შემთხვევაში, კრისტალების გათბობა ატმოსფერულ წნევაზე არ იწვევს ამ ნივთიერების დნობას, არამედ მის სუბლიმა qi და -მყარი ფაზის გადაქცევა პირდაპირ აირისებრ ფაზაში.

8.ანომალიების ახსნა.

ახლა ჩვენ შეგვიძლია ავხსნათ მრავალი წყლის ანომალიის წარმოშობა. განვიხილოთ სიმკვრივის ანომალიები. პირველი - სიმკვრივის მკვეთრი მატება ყინულის დნობისას - განპირობებულია იმით, რომ ყინულის წყალბადური ბმების ქსელი დნობის შემდეგ ძალიან დამახინჯებულია: წყლის ქსელში ობლიგაციებს შორის კუთხეები გადახრილია ოპტიმალური ოთხკუთხედიდან. რის შედეგადაც წყლის მოლეკულებს შორის ცარიელი სივრცის მოცულობა მცირდება. მეორე განისაზღვრება წყლის ქსელის სტრუქტურის თერმული რესტრუქტურიზაციით. რაც უფრო დაბალია ტემპერატურა, მით უფრო ღია ხდება ბადე, რაც იწვევს სიმკვრივის დაქვეითებას, როდესაც ტემპერატურა ეცემა 4 C-ზე დაბლა. მაღალ ტემპერატურაზე, ბადის სტრუქტურის რესტრუქტურიზაცია მცირე გავლენას ახდენს სიმკვრივეზე, რადგან აქ ბადე ძალიან განსხვავდება ღიობისაგან. ტეტრაედრული კონფიგურაცია. შემდეგ ხილული ხდება (ნორმალური) ფენომენი, რომელიც საერთოა ყველა ნივთიერებისთვის, გაცხელებისას ნაწილაკებს შორის მანძილის გაზრდის შესახებ. გაითვალისწინეთ, რომ როდესაც წყლის სიმკვრივე უახლოვდება ყინულის სიმკვრივეს, როდესაც ის სუპერგაციებულია, ეს არ ნიშნავს, რომ წყლის სტრუქტურა უფრო და უფრო ემსგავსება ყინულის სტრუქტურას. მიუხედავად იმისა, რომ ამ შემთხვევაში წყალბადის ობლიგაციებს შორის კუთხეები უახლოვდება ოთხკუთხედს, დაბალ ტემპერატურაზე ღია სამუშაოების შემთხვევითი წყლის ქსელის სტრუქტურას არაფერი აქვს საერთო ყინულის რეგულარულ სტრუქტურასთან Ih.

წყლის სხვა თვისებების ანომალიური ქცევა დაბალ ტემპერატურაზე, მაგალითად, შეკუმშვა, შეიძლება აიხსნას ანალოგიურად. ამ ანომალიური ქცევის ზოგადი მიზეზი ის არის, რომ დაბალ ტემპერატურაზე წყლის წყალბადური ბმების ქსელი ჯერ კიდევ არ არის ძალიან დამახინჯებული ტეტრაედრულ კონფიგურაციასთან შედარებით და როდესაც ტემპერატურა იცვლება, ამ ქსელის სტრუქტურის რესტრუქტურიზაციას უდიდესი მნიშვნელობა აქვს. განსაზღვრავს ჩვენს მიერ დაკვირვებულ წყლის თვისების ქცევაში ანომალიურ წვლილს . მაღალ ტემპერატურაზე, როდესაც წყლის ქსელი ძალიან დეფორმირებულია, მისი რესტრუქტურიზაცია ნაკლებად მოქმედებს დაკვირვებულ თვისებებზე და წყალი იქცევა როგორც ყველა ჩვეულებრივი სითხე.

ტემპერატურის ცვლილებისას ბადის დეფორმაციისთვის და მისი სტრუქტურის აღდგენისთვის საჭიროა ენერგიის დახარჯვა; ეს ხსნის ანომალიურ წვლილს სითბოს სიმძლავრეში. ქსელის სტრუქტურის ცვლილებას შეიძლება ეწოდოს მისი კონფიგურაციის ცვლილება, ამიტომ ანომალიური წვლილი სითბოს სიმძლავრეში, რომელიც აღწერს ენერგიის ხარჯებს ქსელის სტრუქტურის შეცვლისთვის (ტემპერატურის ერთი გრადუსით ზრდით), არის კონფიგურაციის სითბოს სიმძლავრე ეწოდება. ანომალიური წვლილი სითბოს სიმძლავრეში არ ქრება 100-მდე°C (ნორმალური წნევის დროს) და მისი მნიშვნელობა ოდნავ იცვლება ტემპერატურის მატებასთან ერთად. ეს ნიშნავს, რომ წყალბადის ბმების ქსელი წყალში არსებობს სითხის არსებობის მთელ დიაპაზონში - დნობის წერტილიდან დუღილის წერტილამდე: ტემპერატურის მატებასთან ერთად წყალბადის ბმები არ იშლება, მაგრამ თანდათან ცვლის მათ კონფიგურაციას.

დადგენილი ნიმუშიდან ასეთი მკვეთრი გადახრა ზუსტად აიხსნება იმით, რომ წყალი ასოცირებული სითხეა. მისი ასოციაცია ასევე მოქმედებს აორთქლების ძალიან მაღალ სითბოზე. ამგვარად, 100oC-მდე გაცხელებული 1გ წყლის აორთქლებისთვის საჭიროა ექვსჯერ მეტი სითბო, ვიდრე ერთი და იგივე რაოდენობის წყლის გაცხელება 0-დან 80oC-მდე. ამის წყალობით წყალი არის ყველაზე მძლავრი ენერგიის მატარებელი ჩვენს შესახებ. პლანეტა.

9.ლიტერატურა

ახმეტოვი ნ.ს., არაორგანული ქიმია. მოსკოვი, 1992 წ

გლინკა ნ.ლ., ზოგადი ქიმია. ლენინგრადი, 1984 წ

Derpgolts V.F. წყალი სამყაროში. - ლ.: „ნედრა“, 1971 წ.

Krestov G. A. ბროლიდან ხსნარამდე. - ლ.: ქიმია, 1977 წ.

ხომჩენკო გ.პ. ქიმია მათთვის, ვინც უნივერსიტეტში ჩადის. - მ., 1995 წ

წყლის სიმკვრივის ანომალიის ერთ-ერთი ახსნა არის ის, რომ იგი მიეკუთვნება მისი მოლეკულების ასოცირების ტენდენციას, რომლებიც ქმნიან სხვადასხვა ჯგუფებს [H2O, (H2O) 2, (H2O) 3], რომელთა სპეციფიკური მოცულობა.

განსხვავებულია სხვადასხვა ტემპერატურაზე და ამ ჯგუფების კონცენტრაციები განსხვავებულია, შესაბამისად, განსხვავებულია მათი საერთო სპეციფიკური მოცულობა.

მათგან პირველი ნიშნავს, რომ მოძრაობის შედეგად გამოწვეული სიმკვრივის ანომალიები არ ქმნის სითბოს ნაკადს ქვედა კორომში. ზედა საზღვარზე მითითებულია სიმკვრივე, ხოლო ნაპირზე (x 0) ჰორიზონტალური სითბოს ნაკადის ნორმალური კომპონენტი ითვლება ნულის ტოლი. სიჩქარეები და და და ნაპირზე უნდა გაქრეს არანაკადის და წებოვნების პირობების გამო. თუმცა, ჰიდროსტატიკური მიახლოება იმდენად ამარტივებს დინამიკას, რომ არ მოცურების პირობა და; არ შეიძლება დასრულდეს.

მესამეულ და მეორად სპირტებს ახასიათებთ ორთქლის სიმკვრივის ანომალია მაღალ ტემპერატურაზე (B-ს მიხედვით განსაზღვრა. მესამეული სპირტები (Cj2-მდე) იძლევა მოლეკულური წონის მხოლოდ ნახევარს ნაფტალინის დუღილის წერტილში (218e), მათი წყალში დაშლის გამო. და ალკილენები (C9-მდე) ავლენენ იგივე ანომალიას, მაგრამ.

მუშაობის დადებითი ნიშანი უნდა მივაწეროთ წყლის სიმკვრივის ანომალიას.

თუ, როგორც გრები აცხადებს, სენტ-კლერ დევილის ნაშრომმა ხელი შეუწყო, ერთი მხრივ, ორთქლის სიმკვრივეში დაკვირვებული ანომალიების ახსნას და ამით, თუმცა ირიბად, დაადასტურა ავოგადროს თეორია, მაშინ, მეორე მხრივ,

მეორეს მხრივ, ეს ნამუშევრები სტიმული იყო ქიმიური აფინურობის შესასწავლად, რადგან ისინი ხელს უწყობდნენ გარკვეული რეაქციების ბუნების გარკვევას.

წყლისთვის, განტოლება (64) იძლევა სწორ შედეგებს 4 ტემპერატურამდე, რადგან ცნობილია, რომ მას აქვს სიმკვრივის ანომალია. 4-ზე წყლის სიმკვრივე ყველაზე დიდია 4-ზე ქვემოთ, შეინიშნება რთული სიმკვრივის განაწილება, რომელიც არ არის გათვალისწინებული ამ განტოლებით.

(8.3.56) მიხედვით, X პარამეტრი არის (L/LH) 2 თანაფარდობის საზომი, ხოლო უთანასწორობა (8.3.19 ა) უბრალოდ ნიშნავს, რომ წნევით შექმნილი სიმკვრივის ანომალიები შერეულია მცირე მასშტაბით, ვიდრე ლ.

ძირითადი სტრატიფიკაციის არსებობისას, ათვლის ქარის დაძაბულობის დადებითი როტორი და მასთან დაკავშირებული ვერტიკალური მოძრაობა შიდა რეგიონში ქმნის დადებით სიმკვრივის ანომალიას მთელ ამ რეგიონში, რასაც ემატება სიმკვრივის ანომალია ზედაპირზე სითბოს მომატების გამო.

თუ პოლიედრების შიგნით არსებული ბმები ბევრად უფრო ძლიერია, ვიდრე პოლიედრებს შორის, მაშინ მხოლოდ ეს უკანასკნელი იქნება უწესრიგო დნობისას, ასე რომ დნობაში იარსებებს პოლიედრების სახით ერთეულები. ზოგიერთი სიმკვრივის ანომალია თხევად Al-Fe შენადნობებში, როგორც ჩანს, მხარს უჭერს ამ ჰიპოთეზას.

ასეთი ძირითადი მდგომარეობის სტაბილურობის პრობლემის ფორმულირება მოცემულია ატმოსფეროში ზონალური ნაკადის შემთხვევაში. ოკეანის შემთხვევა შეიძლება ჩაითვალოს ატმოსფეროს პრობლემის განსაკუთრებულ შემთხვევად პრობლემის ფორმულირებასთან დაკავშირებით და მიიღება უბრალოდ სტანდარტული სიმკვრივის პროფილის ps (z) მუდმივი სიმკვრივის მნიშვნელობით ჩანაცვლებით და ატმოსფერულის ჩანაცვლებით. პოტენციური ტემპერატურის ანომალია ოკეანის სიმკვრივის ანომალიაში, აღებული მინუს ნიშნით.

წნევის მატება ცვლის წყლის მაქსიმალურ სიმკვრივეს დაბალ ტემპერატურაზე. ამრიგად, 50 ატმ-ზე მაქსიმალური სიმკვრივე შეინიშნება დაახლოებით 0 C. 2000 ატმ-ზე მაღლა წყლის სიმკვრივის ანომალია ქრება.

ამრიგად, ფართო ტემპერატურის დიაპაზონში წყალბადისა და ჟანგბადის ყველაზე ენერგიულად სტაბილური ნაერთია წყალი. აყალიბებს ოკეანეებს, ზღვებს, ყინულს, ორთქლს და ნისლს, ატმოსფეროში დიდი რაოდენობითაა წარმოდგენილი, წყალი წარმოდგენილია კაპილარული და კრისტალური ჰიდრატით; ასეთი გავრცელება და უჩვეულო თვისებები (წყლისა და ყინულის სიმკვრივის ანომალია, მოლეკულების პოლარობა, უნარი ელექტროლიტური დისოციაციაჰიდრატების, ხსნარების წარმოქმნამდე და ა.შ.)

წყალს აქცევს აქტიურ ქიმიურ აგენტად, რომლის მიმართაც ჩვეულებრივ განიხილება დიდი რაოდენობით სხვა ნაერთების თვისებები.

გაცხელებისას სითხეები შესამჩნევად აფართოებენ. ზოგიერთ ნივთიერებას (მაგალითად, წყალს) აქვს დამახასიათებელი ანომალია იზობარული გაფართოების კოეფიციენტის მნიშვნელობებში. უფრო მაღალ წნევაზე მაქსიმალური სიმკვრივე (მინიმალური სპეციფიკური მოცულობა) გადადის უფრო დაბალი ტემპერატურისკენ, ხოლო 23 მპა-ზე მეტი წნევის დროს წყალში სიმკვრივის ანომალია ქრება.

ეს შეფასება დამაიმედებელია, რადგან Ba-ს მნიშვნელობა კარგად ემთხვევა დაკვირვებულ თერმოკლინის სიღრმეს, რომელიც მერყეობს 800 მ-დან შუა განედებში 200 მ-მდე ტროპიკულ და პოლარულ ზონებში. ვინაიდან 50 სიღრმე მნიშვნელოვნად ნაკლებია ოკეანის სიღრმეზე, მიზანშეწონილია თერმოკლინის განხილვა, როგორც სასაზღვრო ფენა; ამის შესაბამისად, ქვედა ზღვარზე სასაზღვრო პირობის დაყენებისას შეგვიძლია ვივარაუდოთ, რომ BO-ზე მეტ სიღრმეზე ტემპერატურა ასიმპტომურად მიდრეკილია ჰორიზონტალურად ჰომოგენური განაწილებისკენ. ვინაიდან z-ის მასშტაბი უკვე უდრის D-ს, მოსახერხებელია საწყისის ზედაპირზე გადატანა და z-ის გაზომვა ოკეანის ზედაპირიდან. ამგვარად, z - --ზე სიმკვრივის ანომალია უნდა დაიღუპოს და უნდა მიდრეკილი იყოს ჯერ კიდევ უცნობი ასიმპტოტური მნიშვნელობისკენ, ისევე როგორც ვერტიკალური სიჩქარე, რომელიც შეიქმნა ეკმანის ფენის ქვედა საზღვარზე, არ შეიძლება აპრიორი იყოს მითითებული.

მუდმივი UE უნდა განისაზღვროს ადგილზე არსებული პირობებიდან. ჰიდროსტატიკურ ფენაში, ვერტიკალური მოძრაობით შექმნილი დიდი სიმკვრივის გრადიენტების გამო (La S/E), y სიდიდით გაცილებით დიდია ვიდრე vj. ამავდროულად, v უნდა აკმაყოფილებდეს f x O-ს არმოცურვის პირობას. Vn უდრის ნულს და, შესაბამისად, თავის თავს. ეს სირთულე მოგვარდება, თუ გავიხსენებთ, რომ შიდა რეგიონში სიმკვრივის ვერტიკალური შერევა აბალანსებს ვერტიკალური მოძრაობის ეფექტს, ხოლო ჰიდროსტატიკური შრეში ვერტიკალური მოძრაობით შექმნილი სიმკვრივის ანომალია დაბალანსებულია მხოლოდ ჰორიზონტალური შერევის ეფექტით. ამრიგად, შიდა რეგიონსა და ჰიდროსტატიკურ ფენას შორის უნდა არსებობდეს შუალედური რეგიონი, რომელშიც ვერტიკალური და ჰორიზონტალური დიფუზია თანაბრად მნიშვნელოვანია. როგორც (8.3.20) გვიჩვენებს, ამ რეგიონს აქვს ჰორიზონტალური მასშტაბი Lff, ისე, რომ ამ მასშტაბით გამოთვლილი A უდრის ერთიანობას.

როგორც ცნობილია, წყალი ნულოვანი ტემპერატურიდან გაცხელებისას იკუმშება და აღწევს უმცირეს მოცულობას და, შესაბამისად, უმაღლეს სიმკვრივეს 4 C ტემპერატურაზე. ტეხასის უნივერსიტეტის მკვლევარებმა შემოგვთავაზეს ახსნა, რომელიც ითვალისწინებს არა მხოლოდ ურთიერთქმედებას. ახლომდებარე წყლის მოლეკულები, არამედ უფრო შორეული. ყინულის 10ვე ცნობილ ფორმაში და წყალში ახლომდებარე მოლეკულების ურთიერთქმედება ერთნაირად ხდება. სიტუაცია განსხვავებულია უფრო შორეული მოლეკულების ურთიერთქმედებით. თხევად ფაზაში, ტემპერატურულ დიაპაზონში, სადაც არის სიმკვრივის ანომალია, უფრო სტაბილური მდგომარეობაა უფრო მაღალი სიმკვრივით. სიმკვრივე-ტემპერატურული მრუდი, რომელიც მეცნიერებმა გამოთვალეს, წყლისთვის დაფიქსირებულის მსგავსია.

სუფთა წყალი გამჭვირვალე და უფეროა. არც სუნი აქვს და არც გემო. წყლის გემოს და სუნს აძლევს მასში გახსნილი მინარევებისაგან. ბევრი ფიზიკური თვისება და მათი ცვლილებების ბუნება სუფთა წყალში ანომალიურია. ეს ეხება ამ პროცესების დნობისა და დუღილის ტემპერატურას, ენთალპიებსა და ენტროპიებს. ასევე ანომალიურია წყლის სიმკვრივის ცვლილების ტემპერატურის ცვალებადობა. წყალს აქვს მაქსიმალური სიმკვრივე 4 C. ამ ტემპერატურაზე ზემოთ და ქვემოთ წყლის სიმკვრივე მცირდება. გამაგრების დროს ხდება სიმკვრივის შემდგომი მკვეთრი შემცირება, ამიტომ ყინულის მოცულობა 10%-ით მეტია იმავე ტემპერატურაზე წყლის თანაბარ მოცულობაზე. ყველა ეს ანომალია აიხსნება წყლის სტრუქტურული ცვლილებებით, რომლებიც დაკავშირებულია მოლეკულური წყალბადის ბმების წარმოქმნასთან და განადგურებასთან ტემპერატურის ცვლილებებით და ფაზური გადასვლებით. წყლის სიმკვრივის ანომალიას დიდი მნიშვნელობა აქვს წყლის გაყინულ სხეულებში მცხოვრები ცოცხალი არსებების სიცოცხლისთვის. 4 C-ზე დაბალ ტემპერატურაზე წყლის ზედაპირული ფენები არ იძირება ძირში, რადგან გაციებისას ისინი უფრო მსუბუქი ხდება. აქედან გამომდინარე, წყლის ზედა ფენები შეიძლება გამკვრივდეს, ხოლო წყალსაცავების სიღრმეში ტემპერატურა რჩება 4 C. ამ პირობებში სიცოცხლე გრძელდება.

წყალი დედამიწაზე ყველაზე გასაოცარი და ყველაზე იდუმალი ნივთიერებაა. ის მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ყველა სასიცოცხლო პროცესსა და მოვლენაში, რომელიც ხდება ჩვენს პლანეტაზე და მის ფარგლებს გარეთ. ამიტომ ანტიკური ფილოსოფოსები წყალს (ჰიდრო) მატერიის უმნიშვნელოვანეს კომპონენტად მიიჩნევდნენ.

თანამედროვე მეცნიერებამ დაადგინა წყლის როლი, როგორც უნივერსალური, პლანეტარული კომპონენტი, რომელიც განსაზღვრავს ცოცხალი და უსულო ბუნების უამრავი ობიექტის სტრუქტურასა და თვისებებს.

მოლეკულური და სტრუქტურულ-ქიმიური კონცეფციების შემუშავებამ შესაძლებელი გახადა აეხსნა წყლის მოლეკულების განსაკუთრებული უნარი, შექმნან ბმები თითქმის ყველა ნივთიერების მოლეკულებთან.

შეკრული წყლის როლი ყველაზე მნიშვნელოვანი ფიზიკური თვისებების ფორმირებაში ჰიდრატირებული ორგანული და არაორგანული ნივთიერებები. წყლის ბიოლოგიური როლის პრობლემა დიდ და მზარდ სამეცნიერო ინტერესს იწვევს.

ჩვენი პლანეტის გარე გარსი, ბიოსფერო, რომელიც დასახლებულია ცოცხალი ორგანიზმებით, არის სიცოცხლის კონტეინერი დედამიწაზე. მისი ფუნდამენტური პრინციპი, მისი შეუცვლელი კომპონენტია წყალი. წყალი არის როგორც სამშენებლო მასალა, რომელიც გამოიყენება ყველა ცოცხალი არსების შესაქმნელად და გარემო, რომელშიც ხდება ყველა სასიცოცხლო პროცესი, ასევე გამხსნელი, რომელიც ორგანიზმიდან გამოაქვს მისთვის მავნე ნივთიერებებს და უნიკალური ტრანსპორტი, რომელიც ამარაგებს ბიოლოგიური სტრუქტურებიყველაფერი, რაც აუცილებელია მათში რთული ფიზიკური და ქიმიური პროცესების ნორმალური წარმოქმნისთვის. და წყლის ეს ყოვლისმომცველი გავლენა ნებისმიერ ცოცხალ სტრუქტურაზე შეიძლება იყოს არა მხოლოდ დადებითი, არამედ უარყოფითიც. მისი მდგომარეობიდან გამომდინარე, წყალი შეიძლება იყოს როგორც აყვავებული სიცოცხლის შემქმნელი, ასევე მისი გამანადგურებელი, მესაფლავე - ეს ყველაფერი დამოკიდებულია მის ქიმიურ და იზოტოპურ შემადგენლობაზე, სტრუქტურულ და ბიოენერგეტიკულ თვისებებზე. შემთხვევითი არ არის, რომ აკადემიკოსმა ი.ვ. პეტრიანოვმა თქვა: ”წყალი ბუნების ნამდვილი სასწაულია!”

წყლის ანომალიური თვისებები მეცნიერებმა ხანგრძლივი და შრომატევადი კვლევის შედეგად აღმოაჩინეს. ეს თვისებები იმდენად ნაცნობი და ბუნებრივია ჩვენს ყოველდღიურ ცხოვრებაში, რომ საშუალო ადამიანი არც კი ეჭვობს მათ არსებობაში. და ამავე დროს, წყალი, დედამიწაზე სიცოცხლის მარადიული თანამგზავრი, მართლაც ორიგინალური და უნიკალურია.

წყლის ანომალიური თვისებები მიუთითებს იმაზე, რომ წყალში H 2 O მოლეკულები საკმაოდ მჭიდროდ არის დაკავშირებული ერთმანეთთან და ქმნიან დამახასიათებელ მოლეკულურ სტრუქტურას, რომელიც ეწინააღმდეგება ნებისმიერ დესტრუქციულ გავლენას, მაგალითად, თერმული, მექანიკური, ელექტრო. ამ მიზეზით, მაგალითად, საჭიროა დიდი სითბოს დახარჯვა წყლის ორთქლად გადაქცევისთვის. ეს თვისება ხსნის შედარებით მაღალს სპეციფიკური სითბოწყლის აორთქლება. ცხადი ხდება, რომ წყლის სტრუქტურა, დამახასიათებელი ბმები წყლის მოლეკულებს შორის, საფუძვლად უდევს წყლის განსაკუთრებულ თვისებებს. ამერიკელმა მეცნიერებმა W. Latimer-მა და W. Rodebush-მა 1920 წელს შემოგვთავაზეს ამ სპეციალური ბმების წყალბადის დარქმევა და ამ დროიდან მოლეკულებს შორის ამ ტიპის კავშირის იდეა სამუდამოდ შედიოდა ქიმიური ობლიგაციების თეორიაში. დეტალების გარეშე, ჩვენ მხოლოდ აღვნიშნავთ, რომ წყალბადის ბმის წარმოშობა განპირობებულია პროტონის ატომებთან ურთიერთქმედების კვანტური მექანიკური მახასიათებლებით.

თუმცა წყალში წყალბადის ბმის არსებობა უბრალოდ აუცილებელი, მაგრამ არა საკმარისი პირობაა წყლის უჩვეულო თვისებების ასახსნელად. ყველაზე მნიშვნელოვანი გარემოება, რომელიც ხსნის წყლის ძირითად თვისებებს, არის თხევადი წყლის სტრუქტურა, როგორც ინტეგრალური სისტემა.

ბრინჯი. წყალბადის ბმის ფორმირება

ჯერ კიდევ 1916 წელს შეიქმნა ფუნდამენტურად ახალი იდეები სითხეების სტრუქტურის შესახებ. პირველად რენტგენის დიფრაქციული ანალიზის გამოყენებით დადასტურდა, რომ სითხეებში არის მოლეკულების განლაგების გარკვეული კანონზომიერება, ანუ, სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, შეინიშნება მოლეკულების განლაგების მცირე დიაპაზონის რიგი. წყლის პირველი რენტგენოლოგიური სტრუქტურული კვლევები ჩაატარეს ჰოლანდიელმა მეცნიერებმა 1922 წელს W. Kees-მა და J. de Smedt-მა. მათ აჩვენეს, რომ თხევად წყალს ახასიათებს წყლის მოლეკულების მოწესრიგებული განლაგება, ე.ი. წყალს აქვს გარკვეული რეგულარული სტრუქტურა.

მართლაც, ცოცხალ ორგანიზმში წყლის სტრუქტურა მრავალი თვალსაზრისით ჰგავს ყინულის კრისტალური გისოსის სტრუქტურას. და ეს არის ზუსტად ის, რაც ახლა ხსნის დნობის წყლის უნიკალურ თვისებებს, რომელიც ინარჩუნებს ყინულის სტრუქტურას დიდი ხნის განმავლობაში. დნობის წყალი უფრო ადვილად რეაგირებს სხვადასხვა ნივთიერებებთან, ვიდრე ჩვეულებრივი წყალი და ორგანიზმს არ სჭირდება დამატებითი ენერგიის დახარჯვა მისი სტრუქტურის რესტრუქტურიზაციისთვის.

ყინულის კრისტალურ სტრუქტურაში წყლის თითოეული მოლეკულა მონაწილეობს 4 წყალბადის ბმაში, რომელიც მიმართულია ტეტრაედრის წვეროებისკენ. ამ ტეტრაედონის ცენტრში არის ჟანგბადის ატომი, ორ წვეროზე არის წყალბადის ატომი, რომლის ელექტრონები მონაწილეობენ ჟანგბადთან კოვალენტური ბმის წარმოქმნაში. დარჩენილი ორი წვერო დაკავებულია ჟანგბადის ვალენტური ელექტრონების წყვილით, რომლებიც არ მონაწილეობენ ინტრამოლეკულური ბმების ფორმირებაში. როდესაც ერთი მოლეკულის პროტონი ურთიერთქმედებს სხვა მოლეკულის მარტოხელა ჟანგბადის ელექტრონებთან, წარმოიქმნება წყალბადის ბმა, რომელიც ნაკლებად ძლიერია ვიდრე ინტრამოლეკულური ბმა, მაგრამ საკმარისად ძლიერია მეზობელი წყლის მოლეკულების შესანარჩუნებლად. თითოეულ მოლეკულას შეუძლია ერთდროულად შექმნას ოთხი წყალბადის ბმა სხვა მოლეკულებთან მკაცრად განსაზღვრული კუთხით, რომელიც ტოლია 109°28", მიმართულია ტეტრაედრის წვეროებისკენ, რაც არ იძლევა მკვრივი სტრუქტურის შექმნას გაყინვის დროს (ყინულის სტრუქტურებში ყოფნისას. I, Ic, VIIდა VIIIეს ტეტრაედონი სწორია).

ბრინჯი. ყინულის კრისტალური სტრუქტურა

ცნობილია, რომ ბიოლოგიური ქსოვილები 70-90% წყლისგან შედგება. ეს იმაზე მეტყველებს, რომ ბევრ ფიზიოლოგიურ ფენომენს შეუძლია ასახოს არა მხოლოდ გამხსნელის, არამედ თანაბრად გამხსნელის - წყლის მოლეკულური მახასიათებლები. ამ სახის მოსაზრებებმა, გამოთქმული ისეთი ცნობილი თანამედროვე მეცნიერების მიერ, როგორებიცაა Szent-Gyorgyi, Polling, Klotz და სხვები, გამოიწვია ახალი ტალღის გაზრდილი ინტერესი წყლის სტრუქტურისა და მდგომარეობის შესახებ სხვადასხვა სისტემაში.

პირველი თეორია წყლის სტრუქტურის შესახებ წამოაყენეს ინგლისელმა მკვლევარებმა ჯ.ბერნალმა და ფაულერმა. მათ შექმნეს წყლის ტეტრაედრული სტრუქტურის კონცეფცია.

1933 წლის აგვისტოს ნომერში ახლად შექმნილი ქიმიური ფიზიკის საერთაშორისო ჟურნალი Journal of Chemical Physics, გამოქვეყნდა მათი კლასიკური ნაშრომი წყლის მოლეკულის სტრუქტურისა და მისი ურთიერთქმედების შესახებ მსგავს მოლეკულებთან და სხვადასხვა ტიპის იონებთან.

ბრინჯი.წყლის ტეტრაედრული სტრუქტურა

ბერნალი და რ. ფაულერი თავიანთ სამეცნიერო ინტუიციაში ეყრდნობოდნენ დაგროვილ ფართო მასალას ექსპერიმენტულ და თეორიულ მონაცემებს წყლის მოლეკულის სტრუქტურის, ყინულის სტრუქტურის, მარტივი სითხეების სტრუქტურისა და X-დან მიღებული მონაცემების შესწავლის სფეროში. წყლისა და წყალხსნარების სხივების დიფრაქციული ანალიზი. უპირველეს ყოვლისა, მათ განსაზღვრეს წყალბადის ბმების როლი წყალში. ცნობილი იყო, რომ წყალი შეიცავს კოვალენტურ და წყალბადურ ბმებს. კოვალენტური ბმები არ იშლება წყლის ფაზური გადასვლისას: წყალი-ორთქლი-ყინული. მხოლოდ ელექტროლიზი, წყლის გათბობა რკინაზე და ა.შ. ცრემლები აშორებს კოვალენტური ბმებიწყალი. წყალბადის ბმები 24-ჯერ სუსტია ვიდრე კოვალენტური ბმები. როდესაც ყინული და თოვლი დნება, წყალბადის ბმები მიღებულ წყალში ნაწილობრივ შენარჩუნებულია, მაგრამ წყლის ორთქლში ისინი ყველა იშლება.

ბრინჯი . როდესაც ყინული დნება, წყალბადის აირები პერიოდულად ნადგურდება და კვლავ წარმოიქმნება. ნახტომის დროა 10 -12 წამი

წყლის წარმოსახვის მცდელობა, როგორც ასოცირებული სითხე წყლის მოლეკულების მკვრივ შეფუთვასთან, როგორც ნებისმიერი კონტეინერის ბურთულები, არ შეესაბამებოდა ელემენტარულ ფაქტობრივ მონაცემებს. ამ შემთხვევაში წყლის სპეციფიკური სიმკვრივე არ უნდა იყოს 1 გ/სმ3, არამედ 1,8 გ/სმ3-ზე მეტი.

მეორე მნიშვნელოვანი მტკიცებულება წყლის მოლეკულის სპეციალური სტრუქტურის სასარგებლოდ იყო ის, რომ, სხვა სითხეებისგან განსხვავებით, წყალს - ეს უკვე ცნობილი იყო - აქვს ძლიერი ელექტრული მომენტი, რომელიც ქმნის მის დიპოლურ სტრუქტურას. მაშასადამე, შეუძლებელი იყო წყლის მოლეკულის ძალიან ძლიერი ელექტრული მომენტის არსებობის წარმოდგენა ჟანგბადის ატომთან მიმართებაში ორი წყალბადის ატომის სიმეტრიულ სტრუქტურაში, მასში შემავალი ყველა ატომის სწორ ხაზზე მოთავსება, ე.ი. N-O-N.

ექსპერიმენტულმა მონაცემებმა, ისევე როგორც მათემატიკურმა გამოთვლებმა, საბოლოოდ დაარწმუნა ინგლისელი მეცნიერები, რომ წყლის მოლეკულა არის "ცალმხრივი" და აქვს "კუთხოვანი" დიზაინი და წყალბადის ორივე ატომი უნდა გადაინაცვლოს ერთ მხარეს ჟანგბადის ატომთან შედარებით კუთხით. 104.5 0:

ბრინჯი. მარჯვნივ - წყლის მოლეკულის სტრუქტურა

ამიტომ ბერნალ-ფაულერის წყლის მოდელი სამ სტრუქტურიანია, რამდენიმე ცალკეული ტიპის სტრუქტურით. ამ მოდელის მიხედვით, წყლის სტრუქტურა განისაზღვრება მისი ცალკეული მოლეკულების სტრუქტურით.

შემდგომში შემუშავდა იდეა, რომ თხევადი წყალი განიხილებოდეს ფსევდოკრისტალად, რომლის მიხედვითაც წყალი თხევად მდგომარეობაში არის სამი კომპონენტის ნარევი სხვადასხვა სტრუქტურით (ყინულის სტრუქტურა, კრისტალური კვარცი და ჩვეულებრივი წყლის მჭიდროდ შეფუთული სტრუქტურა).

წყალი არის ღია ფსევდოკრისტალი, რომელშიც ცალკეული ტეტრაედრული H 2 O მოლეკულები ერთმანეთთან დაკავშირებულია მიმართული წყალბადის ბმებით, ქმნიან ექვსკუთხა სტრუქტურებს, როგორიცაა ყინულის სტრუქტურა.

ბრინჯი.წყალი, როგორც ფსევდოკრისტალი

შემდგომში, Bernal-Fowler-ის წყლის მოდელი დაიხვეწა და გადაიხედა. მის საფუძველზე გაჩნდა წყლის სტრუქტურის 20-ზე მეტი მოდელი, რომლებიც შეიძლება დაიყოს 5 ჯგუფად; 1) უწყვეტი, 2) შერეული მოდელებიწყლის სტრუქტურები (ორი სამსტრუქტურიანი), 3) სიცარიელის შევსების მოდელები, 4) კასეტური და 5) ასოცირებული მოდელები.

წყლის სტრუქტურის უწყვეტი მოდელები ამტკიცებენ, რომ წყალი არის წყალბადის ბმების ერთი ტეტრაედრული ქსელი წყლის ცალკეულ მოლეკულებს შორის, რომლებიც იხრება ყინულის დნობისას.

ბრინჯი. უწყვეტი წყლის მოდელი

შერეული მოდელები: წყალი არის ორი ან სამი სტრუქტურის ნაზავი, მაგალითად, ცალკეული მოლეკულები, მათი ასოცირებული სხვადასხვა სირთულის - კლასტერები.

ამ მოდელის შემდგომმა დახვეწამ გამოიწვია სიცარიელის შევსების მოდელები (კლატრატის მოდელების ჩათვლით) და კლასტერული მოდელები. უფრო მეტიც, კლასტერები შეიძლება შეიცავდეს რამდენიმე ასეულზე მეტ H 2 O მოლეკულას და, მბჟუტავი მტევნის მსგავსად, ისინი მუდმივად წარმოიქმნება და იშლება ადგილობრივი სიმკვრივის რყევების გამო.

საყოველთაოდ ცნობილია ა. ფრანკისა და ვ.ვენის მიერ გაუმჯობესებული წყლის სტრუქტურის კასეტური მოდელი. შერაგოი (1962). ამ მოდელის მიხედვით, თხევად წყალში, მონომერულ მოლეკულებთან ერთად, არის გროვები, H 2 O მოლეკულების გროვა, რომლებიც გაერთიანებულია წყალბადის ბმებით 10 -10 - 10 -11 წმ. ისინი ნადგურდებიან და ხელახლა ქმნიან.

წყლის კასეტური თითქმის ყველა ჰიპოთეზა ეფუძნება იმ ფაქტს, რომ თხევადი წყალი შედგება 4-ჯერ დაკავშირებული H 2 O მოლეკულებისა და მონომერების ქსელისაგან, რომლებიც ავსებენ სივრცეს კლასტერებს შორის. მტევნის სასაზღვრო ზედაპირებზე არის მოლეკულები შეკრული 1, 2 ან 3-ჯერ. ამ მოდელს ასევე უწოდებენ "მოციმციმე კლასტერის" მოდელს. ს.ზენინის აზრით, მტევანი და ასოციაციები წარმოადგენს წყლის სტრუქტურული მეხსიერების საფუძველს - გრძელვადიანი (სტაბილური) და მოკლევადიანი (ლაბილური, არასტაბილური ასოციაციები).

ამჟამად ცნობილია წყლის სტრუქტურის უამრავი ჰიპოთეზა და მოდელი. ზოგიერთი მკვლევარი საუბრობს 10 განსხვავებული წყლის სტრუქტურის არსებობაზე არათანაბარი ბროლის გისოსები, სხვადასხვა სიმკვრივისა და დნობის წერტილები.

პროფესორი ი.ზ. ფიშერმა 1961 წელს შემოიტანა კონცეფცია, რომ წყლის სტრუქტურა დამოკიდებულია დროის ინტერვალზე, რომელზედაც იგი განისაზღვრება. მან გამოყო წყლის სტრუქტურის სამი ტიპი.

1. მყისიერი სტრუქტურა (გაზომვის დრო ტ

2. წყლის სტრუქტურა საშუალო დროის პერიოდებში, როდესაც თ დ< t >რომ. 1 და 2 სტრუქტურები საერთოა ყინულის სტრუქტურაში. ეს სტრუქტურა არსებობს რხევის დროზე მეტ ხანს, მაგრამ დიფუზიის დროზე ნაკლები td.

3. უფრო გრძელი პერიოდისთვის დამახასიათებელი სტრუქტურა (>t d), როდესაც H 2 O მოლეკულა მოძრაობს დიდ მანძილზე.

დ.ესენბერგმა და ვ.კაუტსმანმა დააკავშირეს წყლის ამ სამი სტრუქტურის სახელები მისი მოლეკულების მოძრაობის ტიპებთან, მათ პირველ სტრუქტურას უწოდეს I-სტრუქტურა (ინგლისურიდან მყისიერი - მყისიერი), მე-2 - V- სტრუქტურა ( ინგლისურიდან ვიბრაციული - ვიბრაციული) , მე -3 - D-სტრუქტურა (ინგლისური დიფუზიიდან - დიფუზია).

მორგანისა და უორენის მიერ წყლის კრისტალების რენტგენის დიფრაქციის კვლევებმა აჩვენა, რომ წყალს ყინულის მსგავსი სტრუქტურა აქვს. წყალში, ისევე როგორც ყინულში, ჟანგბადის თითოეული ატომი გარშემორტყმულია, როგორც ტეტრაედრში, ჟანგბადის სხვა ატომებით. მანძილი მეზობელ მოლეკულებს შორის არ არის იგივე. 25°C-ზე წყლის თითოეულ მოლეკულას ჩარჩოში აქვს ერთი მეზობელი 2,77 Å და სამი 2,94 Å მანძილზე, საშუალოდ 2,90 Å. წყლის მოლეკულის უახლოეს მეზობლებს შორის საშუალო მაჩვენებელი დაახლოებით 5,5%-ით მეტია, ვიდრე ყინულის მოლეკულებს შორის. დარჩენილი მოლეკულები პირველ და მეორე მიმდებარე დისტანციებს შორის შუალედურ მანძილზეა. მანძილი 4.1 Å არის მანძილი შორის O-H ატომები H 2 O მოლეკულაში.

თანამედროვე კონცეფციების თანახმად, ასეთი სტრუქტურა დიდწილად განისაზღვრება წყალბადის ობლიგაციებით, რომლებიც აერთიანებს თითოეულ მოლეკულას თავის ოთხ მეზობელთან, ქმნის ძალიან დელიკატურ "ტრიდიმიტის" სტრუქტურას, სიცარიელეებით უფრო დიდი ზომის, ვიდრე თავად მოლეკულები. თხევადი წყლისა და ყინულის სტრუქტურას შორის მთავარი განსხვავებაა ატომების უფრო დიფუზური განლაგება გისოსებში, შორ მანძილზე წესრიგის დარღვევა. თერმული ვიბრაცია იწვევს წყალბადის ბმების მოხრას და რღვევას. წყლის მოლეკულები, რომლებმაც დატოვეს წონასწორული პოზიციები, ხვდებიან სტრუქტურის მეზობელ სიცარიელეებში და რჩებიან იქ გარკვეული დროის განმავლობაში, რადგან სიცარიელეები შეესაბამება პოტენციური ენერგიის შედარებით მინიმუმს. ეს იწვევს კოორდინაციის რაოდენობის ზრდას და გისოსების დეფექტების წარმოქმნას, რომელთა არსებობა განსაზღვრავს წყლის ანომალიურ თვისებებს. მოლეკულების საკოორდინაციო რაოდენობა (უახლოესი მეზობლების რაოდენობა) მერყეობს 4,4-დან 1,5 °C-დან 4,9-მდე 83 °C-ზე.

ჩვენი სწავლული თანამემამულის ჰიპოთეზის მიხედვით ს.ვ. ზენინის წყალი არის "ასოციატების" (კლათრატები) რეგულარული მოცულობითი სტრუქტურების იერარქია, რომლებიც დაფუძნებულია ბროლის მსგავს "წყლის კვანტზე", რომელიც შედგება მისი 57 მოლეკულისგან, რომლებიც ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან თავისუფალი წყალბადის ბმების გამო. ამ შემთხვევაში, 57 წყლის მოლეკულა (კვანტა) ქმნის ტეტრაედონის მსგავს სტრუქტურას. ტეტრაჰედრონი, თავის მხრივ, შედგება 4 დოდეკედრონისაგან (რეგულარული 12-გვერდიანი სახეები). 16 კვანტა ქმნის სტრუქტურულ ელემენტს, რომელიც შედგება 912 წყლის მოლეკულისგან. წყალი შედგება 80% ასეთი ელემენტებისაგან, 15% არის ტეტრაედრული კვანტები და 3% კლასიკური H 2 O მოლეკულები. ამრიგად, წყლის სტრუქტურა ასოცირდება ეგრეთ წოდებულ პლატონურ მყარებთან (ტეტრაედრონი, დოდეკაედონი), რომელთა ფორმაც არის. ასოცირდება ოქროს თანაფარდობასთან. ჟანგბადის ბირთვს ასევე აქვს პლატონური მყარის ფორმა (ტეტრაედონი).

წყლის ერთეული უჯრედი არის ტეტრაედონი, რომელიც შეიცავს ოთხ (მარტივი ტეტრაედრონს) ან ხუთ H2O მოლეკულას (სხეულზე ორიენტირებული ტეტრაედონი), რომლებიც ერთმანეთთან არის დაკავშირებული წყალბადის ბმებით.

ამავდროულად, მარტივი ტეტრაედრების წყლის თითოეული მოლეკულა ინარჩუნებს წყალბადის ბმების ფორმირების უნარს. მათი მარტივი ტეტრაედრების გამო, ისინი შეიძლება გაერთიანდნენ წვეროებით, კიდეებით ან სახეებით, ქმნიან სხვადასხვა კლასტერებს რთული სტრუქტურით, მაგალითად, დოდეკედრის სახით.

რი თან. წყლის შესაძლო მტევანი

ერთმანეთთან შერწყმით, კლასტერებს შეუძლიათ შექმნან უფრო რთული სტრუქტურები:

ბრინჯი. წყლის მტევნის უფრო რთული ასოციაციები

ბრინჯი. წყლის სტაბილური კლასტერის ფორმირება 20 ინდივიდუალური წყლის მოლეკულისგან (სურათი ქვემოთ)

პროფესორმა მარტინ ჩაპლინმა გამოთვალა და შესთავაზა წყლის განსხვავებული მოდელი, რომელიც ეფუძნება იკოსაედრონს.

ბრინჯი.წყლის იკოსედრონის ფორმირება

ბრინჯი. წყლის გიგანტური იკოსაედონი

ნახატები ქვემოთ მარჯვნივ

ამ მოდელის მიხედვით, წყალი შედგება 1820 წყლის მოლეკულისგან - ეს ორჯერ მეტია ვიდრე ზენინის მოდელში. გიგანტური იკოსაედონი, თავის მხრივ, შედგება 13 პატარა სტრუქტურული ელემენტისგან. უფრო მეტიც, ისევე როგორც ზენინი, გიგანტური ასოციაციის სტრუქტურა დაფუძნებულია მცირე წარმონაქმნებზე.

ამრიგად, ახლა აშკარა ფაქტია, რომ წყალში წარმოიქმნება წყლის ასოციაციები, რომლებიც ატარებენ ძალიან მაღალ ენერგიას და უკიდურესად მაღალი სიმკვრივის ინფორმაციას.

ასეთი წყლის სტრუქტურების შეკვეთის რაოდენობა ისეთივე მაღალია, როგორც რიგითი ნომერიკრისტალები (ყველაზე მაღალი მოწესრიგებული სტრუქტურა, რომელიც ჩვენ ვიცით), რის გამოც მათ ასევე უწოდებენ "თხევად კრისტალებს" ან "კრისტალურ წყალს". ეს სტრუქტურა ენერგიულად ხელსაყრელია და ნადგურდება თავისუფალი წყლის მოლეკულების გამოთავისუფლებით მხოლოდ ალკოჰოლებისა და მსგავსი გამხსნელების მაღალი კონცენტრაციის დროს [Zenin, 1994].

„წყლის კვანტებს“ შეუძლიათ ურთიერთქმედება ერთმანეთთან „კვანტის“ წვეროებიდან გამოსული თავისუფალი წყალბადის ბმების გამო. ამ შემთხვევაში შესაძლებელია მათი ურთიერთქმედების ორი ტიპი იწვევს სტრუქტურების გამოჩენას უმაღლესი წესრიგი. ეს უკანასკნელი შედგება 912 წყლის მოლეკულისგან, რომლებიც, ზენინის მოდელის მიხედვით, პრაქტიკულად არ შეუძლიათ ურთიერთქმედების უნარი წყალბადის ბმების წარმოქმნის გამო. ეს განმარტავს, მაგალითად, უზარმაზარი პოლიმერებისგან შემდგარი სითხის მაღალ სითხეს. ამრიგად, წყალხსნარი ჰგავს იერარქიულად ორგანიზებულ თხევად კრისტალს.

ამ კრისტალში ერთი სტრუქტურული ელემენტის პოზიციის ცვლილება ნებისმიერი გარე ფაქტორის გავლენის ქვეშ ან მიმდებარე ელემენტების ორიენტაციის ცვლილება დამატებული ნივთიერებების გავლენის ქვეშ, ზენინის ჰიპოთეზის მიხედვით, უზრუნველყოფს მაღალ მგრძნობელობას. საინფორმაციო სისტემაწყალი. თუ სტრუქტურული ელემენტების დარღვევის ხარისხი საკმარისი არ არის წყლის მთლიანი სტრუქტურის მოცემულ მოცულობაში გადასაწყობად, მაშინ დარღვევის მოხსნის შემდეგ სისტემა უბრუნდება პირვანდელ მდგომარეობას 30-40 წუთის შემდეგ. თუ გადაკოდირდება, ანუ სხვაზე გადასვლა შედარებითი პოზიციაწყლის სტრუქტურული ელემენტები აღმოჩნდება ენერგიულად ხელსაყრელი, შემდეგ ნივთიერების კოდირების ეფექტი, რამაც გამოიწვია ეს რესტრუქტურიზაცია, აისახება ახალ მდგომარეობაში [Zenin, 1994]. ეს მოდელი საშუალებას აძლევს ზენინს ახსნას „წყლის მეხსიერება“ და მისი საინფორმაციო თვისებები [Zenin, 1997].

გარდა ამისა, წყლის სტრუქტურული მდგომარეობა აღმოჩნდა სხვადასხვა სფეროს მგრძნობიარე სენსორი. ს. ზენინი თვლის, რომ ტვინს, რომელიც თავად 90% წყლისგან შედგება, შეუძლია, მიუხედავად ამისა, შეცვალოს მისი სტრუქტურა.

ბრინჯი. ცალკეული წყლის კლასტერი (კომპიუტერული სიმულაცია)

წყლის კასეტური მოდელი ხსნის მის მრავალ ანომალიურ თვისებას.

წყლის პირველი ანომალიური თვისებაა დუღილის და გაყინვის წერტილის ანომალია: თუ წყალი - ჟანგბადის ჰიდრიდი - H 2 O იყო ნორმალური მონომოლეკულური ნაერთი, ასეთი, მაგალითად, მისი ანალოგები ელემენტების პერიოდული სისტემის მეექვსე ჯგუფში D.I. მენდელეევის გოგირდის ჰიდრიდი H 2 S, სელენის ჰიდრიდი H 2 Se, ტელურუმის ჰიდრიდი H 2 Te, შემდეგ თხევად მდგომარეობაში წყალი იარსებებს მინუს 90 0 C-დან მინუს 70 0 C-მდე.

ბრინჯი. წყლის დუღილისა და გაყინვის წერტილების ანომალიები სხვა წყალბადის ნაერთებთან შედარებით.

წყლის ასეთი თვისებებით დედამიწაზე სიცოცხლე არ იარსებებს. მაგრამ საბედნიეროდ ჩვენთვის და მსოფლიოში ყველა ცოცხალი არსებისთვის, წყალი არანორმალურია. ის არ ცნობს დედამიწასა და კოსმოსში უამრავი ნაერთებისთვის დამახასიათებელ პერიოდულ ნიმუშებს, მაგრამ მიჰყვება საკუთარ კანონებს, რომლებიც ჯერ კიდევ ბოლომდე არ არის გასაგები მეცნიერების მიერ, რომლებიც მოგვცა საოცარი სამყაროცხოვრება.

წყლის "არანორმალური" დნობის და დუღილის ტემპერატურა არ არის ერთადერთი ანომალია წყალში. ექსკლუზიურად მთელი ბიოსფეროსთვის მნიშვნელოვანი თვისებაწყალი გაყინვისას მისი მოცულობის გაზრდის ნაცვლად გაზრდის უნარია, ე.ი. სიმკვრივის შემცირება. ეს არის მეორე წყლის ანომალია, რომელსაც ე.წ სიმკვრივის ანომალია. წყლის ეს განსაკუთრებული თვისება პირველად შენიშნა გ.გალილეომ. როდესაც ნებისმიერი სითხე (გარდა გალიუმისა და ბისმუტისა) გარდაიქმნება მყარ მდგომარეობაში, მოლეკულები განლაგებულია ერთმანეთთან უფრო ახლოს, ხოლო თავად ნივთიერება, მოცულობის შემცირებით, უფრო მკვრივი ხდება. ნებისმიერი სითხე, მაგრამ არა წყალი. წყალი აქაც გამონაკლისია. გაციებისას წყალი თავდაპირველად სხვა სითხეების მსგავსად იქცევა: თანდათან უფრო მკვრივი ხდება, ამცირებს მის მოცულობას. ამ ფენომენის დაკვირვება შესაძლებელია +4°C-მდე (უფრო ზუსტად +3,98°C-მდე).

ბრინჯი. ყინულისა და წყლის სპეციფიკური მოცულობის დამოკიდებულება ტემპერატურაზე.ბრინჯი. წყლის სპეციფიკური სითბოს სიმძლავრის ტემპერატურაზე დამოკიდებულება.

წყალს აქვს ყველაზე მაღალი სიმკვრივე და ყველაზე მცირე მოცულობა +3,98°C ტემპერატურაზე. წყლის შემდგომი გაგრილება თანდათან იწვევს არა შემცირებას, არამედ მოცულობის ზრდას. ამ პროცესის სირბილე მოულოდნელად წყდება და 0°C ტემპერატურაზე მკვეთრი ნახტომია მოცულობის ზრდა თითქმის 10%-ით! ამ დროს წყალი ყინულად იქცევა.

წყლის უნიკალური ქცევა გაგრილებისა და ყინულის წარმოქმნის დროს უაღრესად მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ბუნებასა და ცხოვრებაში. სწორედ წყლის ეს თვისება იცავს დედამიწაზე არსებულ ყველა წყალს - მდინარეებს, ტბებს, ზღვებს - ზამთარში სრული გაყინვისგან და ამით იხსნის სიცოცხლეს.

მტკნარი წყლისგან განსხვავებით, ზღვის წყალი გაციებისას განსხვავებულად იქცევა. იყინება არა 0°C-ზე, არამედ მინუს 1,8-2,1°C-ზე - დამოკიდებულია მასში გახსნილი მარილების კონცენტრაციაზე. მას აქვს მაქსიმალური სიმკვრივე არა + 4°C, არამედ -3,5°C. ამრიგად, ის იქცევა ყინულად, მისი უდიდესი სიმკვრივის მიღწევის გარეშე. თუ მტკნარი წყლის ობიექტებში ვერტიკალური შერევა წყდება, როდესაც წყლის მთელი მასა გაცივდება +4°C-მდე, მაშინ ზღვის წყალში ვერტიკალური ცირკულაცია ხდება 0°C-ზე დაბალ ტემპერატურაზეც კი. ზედა და ქვედა ფენებს შორის გაცვლის პროცესი მუდმივად მიმდინარეობს, რაც ხელსაყრელ პირობებს ქმნის ცხოველური და მცენარეული ორგანიზმების განვითარებისთვის.

განსაკუთრებით ხელსაყრელი გარემო ზღვებისა და ოკეანეების მაცხოვრებლებისთვის არის დნობის წყალი, რომელიც წარმოიქმნება მყინვარებისა და აისბერგების დნობის შედეგად. ოკეანეების უზარმაზარ სივრცეში, მცურავი აისბერგის მთები ძირითადად იმალება წყლის ქვეშ, მაგრამ შეიძლება სერიოზული საფრთხე შეუქმნას გემებს. 1912 წლის 14 აპრილს ტიტანიკის ჩაძირვას, რომელიც სუპერლაინერის უზარმაზარ აისბერგთან შეჯახების შედეგად მოხდა, საუკუნის ტრაგედია უწოდეს.

წყლის ყველა თერმოდინამიკური თვისება შესამჩნევად ან მკვეთრად განსხვავდება სხვა ნივთიერებებისგან.

მათგან ყველაზე მნიშვნელოვანია სპეციფიკური სითბოს ანომალია. წყლის არანორმალურად მაღალი სითბოს ტევადობა ზღვებსა და ოკეანეებს აქცევს ჩვენი პლანეტის გიგანტურ ტემპერატურის რეგულატორად, რის შედეგადაც არ არის მკვეთრი ტემპერატურის ცვლილებები ზამთარში და ზაფხულში, დღე და ღამე. ზღვებსა და ოკეანეებთან ახლოს მდებარე კონტინენტებს აქვთ რბილი კლიმატი, სადაც ტემპერატურის ცვლილებები წელიწადის სხვადასხვა დროს უმნიშვნელოა.

ძლიერი ატმოსფერული დინებები, რომლებიც შეიცავს დიდი რაოდენობით სითბოს, რომელიც შეიწოვება აორთქლების პროცესში, გიგანტური ოკეანის დინებები განსაკუთრებულ როლს თამაშობენ ჩვენს პლანეტაზე ამინდის შექმნაში.

სითბოს სიმძლავრის ანომალიაასეთია: როდესაც რაიმე ნივთიერება თბება, სითბოს სიმძლავრე უცვლელად იზრდება. დიახ, ნებისმიერი ნივთიერება, მაგრამ არა წყალი. წყალი გამონაკლისია აქაც არ უშვებს ხელიდან იყოს ორიგინალური: ტემპერატურის მატებასთან ერთად წყლის თბოტევადობის ცვლილება ანომალიურია; 0-დან 37°C-მდე მცირდება და მხოლოდ 37-დან 100°C-მდე იზრდება სითბოს სიმძლავრე მუდმივად.

37°C-თან ახლოს ტემპერატურების პირობებში წყლის სითბოს სიმძლავრე მინიმალურია. ეს ტემპერატურა არის ადამიანის სხეულის ტემპერატურის დიაპაზონი, ჩვენი ცხოვრების სფერო. წყლის ფიზიკა 35-41°C ტემპერატურულ დიაპაზონში (ადამიანის ორგანიზმში შესაძლო, ჩვეულებრივ ფიზიოლოგიური პროცესების საზღვრები) მიუთითებს წყლის უნიკალური მდგომარეობის მიღწევის ალბათობაზე, როდესაც მასა კვაზიკრისტალურია. www.aquaberd.nm.ru/data/books/voda-i-zdorovye.htm-ftn2და მოცულობითი წყალი ერთმანეთის ტოლია და ერთი სტრუქტურის მეორეში გადაქცევის უნარი - ცვალებადობა - მაქსიმალურია. წყლის ეს შესანიშნავი თვისება წინასწარ განსაზღვრავს ადამიანის ორგანიზმში შექცევადი და შეუქცევადი ბიოქიმიური რეაქციების თანაბარ ალბათობას და უზრუნველყოფს მათ „ადვილ კონტროლს“.

სხვებმა კარგად იციან წყლის განსაკუთრებული უნარი რაიმე ნივთიერების დაშლის შესახებ. და აქ წყალი აჩვენებს სითხისთვის უჩვეულო ანომალიებს და პირველ რიგში წყლის დიელექტრიკული მუდმივის ანომალიები. ეს გამოწვეულია იმით, რომ მისი დიელექტრიკული მუდმივა (ან დიელექტრიკული მუდმივა) ძალიან მაღალია და შეადგენს 81-ს, ხოლო სხვა სითხეებისთვის ის არ აღემატება 10-ს. კულონის კანონის თანახმად, წყალში ორ დამუხტულ ნაწილაკს შორის ურთიერთქმედების ძალა იქნება. იყოს 81-ჯერ ნაკლები, ვიდრე, მაგალითად, ჰაერში, სადაც ეს მახასიათებელი უდრის ერთიანობას. ამ შემთხვევაში, ინტრამოლეკულური ბმების სიძლიერე მცირდება 81-ჯერ და თერმული მოძრაობის გავლენის ქვეშ მოლეკულები იშლება იონების წარმოქმნით. უნდა აღინიშნოს, რომ სხვა ნივთიერებების დაშლის განსაკუთრებული უნარის გამო, წყალი არასოდეს არის იდეალურად სუფთა.

აღსანიშნავია წყლის კიდევ ერთი საოცარი ანომალია - განსაკუთრებით მაღალი ზედაპირული დაძაბულობა. ყველა ცნობილი სითხეებიდან მხოლოდ ვერცხლისწყალს აქვს უფრო მაღალი ზედაპირული დაძაბულობა. ეს თვისება გამოიხატება იმაში, რომ წყალი ყოველთვის ცდილობს შეამციროს მისი ზედაპირი.

კვანტური მექანიკური მიზეზებით გამოწვეული წყლის გარე (ზედაპირული) შრის არაკომპენსირებული ინტერმოლეკულური ძალები ქმნიან გარე ელასტიურ გარსს. ფილმის წყალობით, ბევრი საგანი, რომელიც წყალზე მძიმეა, წყალში არ არის ჩაძირული. თუ, მაგალითად, ფოლადის ნემსი ფრთხილად დაიდება წყლის ზედაპირზე, ნემსი არ ჩაიძირება. მაგრამ ფოლადის სპეციფიკური წონა თითქმის რვაჯერ აღემატება წყლის სპეციფიკურ წონას. ყველამ იცის წყლის წვეთის ფორმა. მაღალი ზედაპირული დაძაბულობა საშუალებას აძლევს წყალს ჰქონდეს სფერული ფორმა თავისუფალი დაცემისას.

ზედაპირული დაჭიმულობა და დატენიანება არის წყლისა და წყალხსნარების განსაკუთრებული თვისების საფუძველი, რომელსაც კაპილარულობა ეწოდება. კაპილარობას დიდი მნიშვნელობა აქვს ფლორისა და ფაუნის სიცოცხლისთვის, ბუნებრივი მინერალების სტრუქტურების ფორმირებისთვის და დედამიწის ნაყოფიერებისთვის. ადამიანის თმაზე მრავალჯერ ვიწრო არხებში წყალი საოცარ თვისებებს იძენს. უფრო ბლანტი ხდება, სქელდება 1,5-ჯერ და იყინება მინუს 80-70°C ტემპერატურაზე.

მიზეზი კაპილარული წყლის სუპერანომალიებიარის ინტერმოლეკულური ურთიერთქმედება, რომელთა საიდუმლოებები ჯერ კიდევ შორს არის გამჟღავნებისაგან.

მეცნიერებმა და სპეციალისტებმა იციან ე.წ ფორების წყალი. თხელი ფირის სახით იგი ფარავს დედამიწის ქერქის ქანებისა და მინერალების ფორებისა და მიკროღრმულების ზედაპირს და ცოცხალი და უსულო ბუნების სხვა ობიექტებს.

სხვა სხეულების ზედაპირთან დაკავშირებული მოლეკულური ძალებით, ამ წყალს, კაპილარული წყლის მსგავსად, განსაკუთრებული სტრუქტურა აქვს.

ამრიგად, წყლის ანომალიური და სპეციფიკური თვისებები მნიშვნელოვან როლს ასრულებს მის მრავალფეროვან ურთიერთქმედებაში ცოცხალ და უსულო ბუნებასთან. წყლის თვისებების ყველა ეს უჩვეულო თვისება იმდენად "წარმატებულია" ყველა ცოცხალი არსებისთვის, რომ ისინი წყალს შეუცვლელ საფუძველს აქცევს დედამიწაზე სიცოცხლის არსებობისთვის.

K. x. ნ. O. V. Mosin

ლიტერატურული წყაროები

ბელაია მ.ლ., ლევადნი ვ.გ. წყლის მოლეკულური სტრუქტურა. მ.: ზნანიე 1987. – 46გვ.

ბერნალიჯ.დ.წყლის მოლეკულებისგან დამზადებული შენობების გეომეტრია. უსპეხის ქიმია, 1956, ტ. 25, გვ. 643-660 წწ.

ბულიენკოვი ნ.ა. ჰიდრატაციის, როგორც წამყვანი ინტეგრაციის ფაქტორის შესაძლო როლზე ბიოსისტემების ორგანიზაციაში სხვადასხვა დონეზემათი იერარქია. ბიოფიზიკა, 1991, ტ.36, ტ.2, გვ.181-243.

ზაცეპინა თ.ნ. წყლის თვისებები და სტრუქტურა. მ.: მოსკოვის სახელმწიფო უნივერსიტეტის გამომცემლობა, 1974, - 280 გვ.

ნაბერუხინი იუ.ი. სითხის სტრუქტურული მოდელები. მ.: მეცნიერება. 1981 – 185 გვ.

ქიმიურად სუფთა წყალს აქვს მრავალი თვისება, რაც მკვეთრად განასხვავებს მას სხვა ბუნებრივი სხეულებისა და ქიმიური ანალოგებისგან (მენდელეევის პერიოდული სისტემის მე-6 ჯგუფის ელემენტების ჰიდრიდები) და სხვა სითხეებისგან. ეს განსაკუთრებული თვისებები ცნობილია როგორც წყლის ანომალიები.

წყლის და, განსაკუთრებით მისი წყალხსნარების შესწავლისას, მეცნიერები უსასრულოდ დარწმუნდნენ, რომ წყალს აქვს მხოლოდ მისთვის დამახასიათებელი არანორმალური - ანომალიური თვისებები, მისი უდიდებულესობა - წყალი, რამაც მოგვცა სიცოცხლე და აზროვნების უნარი. ჩვენ არც კი გვეპარება ეჭვი, რომ წყლის ასეთი ნაცნობი და ბუნებრივი თვისებები ბუნებაში, სხვადასხვა ტექნოლოგიებში და ბოლოს ჩვენს ყოველდღიურ ცხოვრებაში უნიკალური და განუმეორებელია.

სიმჭიდროვე

მთელი ბიოსფეროსთვის წყლის უაღრესად მნიშვნელოვანი თვისებაა გაყინვისას მისი მოცულობის გაზრდის და არა შემცირების უნარი, ე.ი. სიმკვრივის შემცირება. მართლაც, როდესაც ნებისმიერი სითხე მყარ მდგომარეობაში გარდაიქმნება, მოლეკულები ერთმანეთთან უფრო ახლოს არის განლაგებული და თავად ნივთიერება, მოცულობის შემცირებით, უფრო მკვრივი ხდება. დიახ, ნებისმიერი ძალიან განსხვავებული სითხეებისთვის, მაგრამ არა წყლისთვის. წყალი აქ გამონაკლისია. გაციებისას წყალი თავდაპირველად სხვა სითხეების მსგავსად იქცევა: თანდათან უფრო მკვრივი ხდება, ამცირებს მის მოცულობას. ეს ფენომენი შეიძლება შეინიშნოს +3,98°C-მდე. შემდეგ, ტემპერატურის შემდგომი კლებით 0°C-მდე, მთელი წყალი იყინება და ფართოვდება მოცულობით. შედეგად, ყინულის ხვედრითი წონა წყალზე ნაკლები ხდება და ყინული ცურავს. თუ ყინული არ ცურავდა, მაგრამ ჩაიძირა, მაშინ წყლის ყველა სხეული (მდინარეები, ტბები, ზღვები) გაიყინება ფსკერზე, აორთქლება მკვეთრად შემცირდება და ყველა მტკნარი წყლის ცხოველი და მცენარე დაიღუპება. დედამიწაზე სიცოცხლე შეუძლებელი გახდება. წყალი ერთადერთი სითხეა დედამიწაზე, რომლის ყინული არ იძირება იმის გამო, რომ მისი მოცულობა 1/11-ით მეტია წყლის მოცულობაზე.

ზედაპირული დაძაბულობა

იმის გამო, რომ მრგვალი წყლის ბურთები ძალიან ელასტიურია, წვიმს, ნამი ეცემა. რა არის ეს საოცარი ძალა, რომელიც ინარჩუნებს ნამის წვეთებს და წყლის ზედაპირულ ფენას ნებისმიერ გუბეში ელასტიურს და შედარებით გამძლეს ხდის?

ცნობილია, რომ თუ ფოლადის ნემსი ფრთხილად დაიდება თეფშში ჩასხმული წყლის ზედაპირზე, ნემსი არ იძირება. მაგრამ ლითონის სპეციფიკური სიმძიმე ბევრად აღემატება წყლისას. წყლის მოლეკულები შეკრულია ზედაპირული დაძაბულობის ძალით, რაც მათ საშუალებას აძლევს აიწიონ კაპილარებში, გადალახონ მიზიდულობის ძალა. წყლის ამ თვისების გარეშე დედამიწაზე სიცოცხლეც შეუძლებელი იქნებოდა.

სითბოს ტევადობა

მსოფლიოში არც ერთი ნივთიერება არ შთანთქავს ან გამოყოფს იმდენ სითბოს გარემოში, როგორც წყალი. წყლის სითბოს ტევადობა 10-ჯერ აღემატება ფოლადის სითბოს და 30-ჯერ აღემატება ვერცხლისწყალს. წყალი ინარჩუნებს სითბოს დედამიწაზე.

ზღვების, ოკეანეებისა და ხმელეთის ზედაპირიდან წელიწადში 520 000 კუბური კილომეტრი წყალი აორთქლდება, რომელიც კონდენსაციის დროს უამრავ სითბოს გამოყოფს ცივ და პოლარულ რეგიონებს.

ადამიანის ორგანიზმში წყალი შეადგენს 70-90%-ს. სხეულის წონისგან. წყალს რომ არ ჰქონდეს ისეთი სითბოს ტევადობა, როგორიც ახლაა, თბილ და ცივსისხლიან ორგანიზმებში მეტაბოლიზმი შეუძლებელი იქნებოდა.

წყალი ყველაზე ადვილად თბება და ყველაზე სწრაფად ცივდება ერთგვარ „ტემპერატურულ ორმოში“, რომელიც შეესაბამება ადამიანის სხეულის ტემპერატურას +37°C-ს.

წყლის კიდევ რამდენიმე ანომალიური თვისებაა:

არცერთი სითხე არ შთანთქავს გაზებს ისე ხარბად, როგორც წყალი. მაგრამ ის ასევე ადვილად გასცემს მათ. წვიმა ხსნის ატმოსფეროს ყველა მომწამვლელ გაზს. წყალი მისი ძლიერი ბუნებრივი ფილტრია, რომელიც ასუფთავებს ატმოსფეროს ყველა მავნე და მომწამვლელი აირებისგან. წყლის კიდევ ერთი საოცარი თვისება ვლინდება ზემოქმედებისას მაგნიტური ველი. მაგნიტური დამუშავების ქვეშ მყოფი წყალი ცვლის მარილების ხსნადობას და ქიმიური რეაქციების სიჩქარეს.

მაგრამ წყლის ყველაზე საოცარი თვისება თითქმის უნივერსალური გამხსნელის თვისებაა. და თუ მასში ზოგიერთი ნივთიერება არ იშლება, მაშინ ამან ასევე დიდი როლი ითამაშა სიცოცხლის ევოლუციაში: სავარაუდოდ ეს იყო პირველადი ჰიდროფობიური თვისებები. ბიოლოგიური გარსებიდა სიცოცხლე თავის გამოჩენას და განვითარებას წყლის გარემოში ევალება.