Аномальные физические свойства воды

Аномальные физические свойства воды столь будничны и естественны, что обычно мы и не подозреваем об их существовании, совершенно забыв, что эти свойства - подарок природы всему живому на Земле.

О воде пишут много. Пишут ученые разных специальностей - физики, химики, геологи, биологи, астрономы. Сложилась даже определенная традиция в написании статен о воде начинать рассказ с описания необычных, аномальных свойств этой жидкости.

· Температура плавления и кипения воды

Самое удивительное и благостное для живой природы свойство воды - это ее способность при "нормальных" условиях быть жидкостью. Молекулы очень похожих на воду соединений (например, молекулы H₂S или H₂Se) намного тяжелее, а образуют при тех же условиях газ. Тем самым вода как будто противоречит закономерностям таблицы Менделеева, которая, как известно, предсказывает, когда, где и какие свойства веществ будут близки.

В нашем случае из таблицы следует, что свойства водородных соединений элементов (называемых гидридами), расположенных в одних и тех же вертикальных столбцах, с ростом массы атомов должны изменяться монотонно. Кислород - элемент шестой группы этой таблицы. В этой же группе находятся сера S (с атомным весом 32), селен Se (с атомным весом 79), теллур Te (с атомным весом 128) и поллоний Po (с атомным весом 209). Следовательно, свойства гидридов этих элементов должны меняться монотонно при переходе от тяжелых элементов к более легким, т.е. в последовательности H₂Po → H₂Te → H₂Se → H₂S → H₂O. Что и происходит, но только с первыми четырьмя гидридами. Например, температуры кипения и плавления растут при увеличении атомного веса элементов. На рисунке крестиками отмечены температуры кипения этих гидридов, а кружочками - температуры плавления.

При уменьшении атомного веса температуры снижаются совершенно линейно. Область существования жидкой фазы гидридов становится все более "холодной", и если бы гидрид кислорода Н₂О был нормальным соединением, похожим на своих соседей по шестой группе, то жидкая вода существовала бы в диапазоне от -80° С до -95° С. При более высоких температурах Н₂О всегда была бы газом. К счастью для нас и всего живого на Земле, вода аномальна, она не признает периодической закономерности а следует своим законам.

Объясняется это довольно просто - большая часть молекул воды соединена водородными связями. Именно этими связями отличается вода от жидких гидридов H₂S, H₂Se и H₂Te. Если бы их не было, то вода кипела бы уже при минус 95 °C. Энергия водородных связей достаточно велика, и разорвать их можно лишь при значительно более высокой температуре. Даже в газообразном состоянии большое число молекул H₂O сохраняет свои водородные связи, объединяясь в димеры (H₂O)₂. Полностью водородные связи исчезают только при температуре водяного пара 600 °C.

Напомним, что кипение заключается в том, что пузыри пара образуются внутри кипящей жидкости. При нормальном давлении чистая вода кипит при 100 'С. В случае подведения тепла через свободную поверхность будет ускоряться процесс поверхностного испарения, но объёмного парообразования, характерного для кипения, не возникает. Кипение может быть осуществлено и понижением внешнего давления, так как в этом случае давление пара, равное внешнему давлению, достигается при более низкой температуре. На вершине очень высокой горы давление и соответственно точка кипения настолько понижаются, что вода становится непригодной для варки пищи - не достигается требуемая температуры воды. При достаточно высоком давлении воду можно нагреть настолько, что в ней может расплавиться свинец (327 °С), и все же она не будет кипеть.

Помимо сверхбольших температур кипения плавления (причем последний процесс требует слишком большой для такой простой жидкости теплоты плавления), аномален сам диапазон существования воды - сто градусов, на которые разнятся эти температуры, - довольно большой диапазон для такой низкомолекулярной жидкости, как вода. Необычайно велики пределы допустимых значении переохлаждения и перегрева воды - при аккуратном нагревании или охлаждении вода остается жидкой от -40 °C до +200 °C. Тем самым температурный диапазон, в котором вода может оставаться жидкой, расширяется до 240 °C.

При нагревании льда сначала температура его повышается, но с момента образования смеси воды со льдом температура будет оставаться неизменной до того момента, пока не расплавится весь лёд. Это объясняется тем, что тепло, подводимое к тающему льду, прежде всего расходуется только на разрушение кристаллов. Температура тающего льда остаётся неизменной до тех пор, пока не произойдёт разрушение всех кристаллов (см. скрытую теплоту плавления).

· Плотность воды и льда

Жизненно важной для всей биосферы является способность воды при замерзании уменьшать, а не увеличивать свою плотность (как это происходит почти со всеми остальными веществами). Висмут в этом отношении ведет себя, как вода, но он является одним из крайне редких исключений из общего правила. Впервые на это необычное свойство воды обратил внимание еще Г. Галилей. В самом деле, при переходе жидкости в твердое состояние молекулы вещества как будто должны располагаться теснее, а само вещество должно становиться, плотнее. Обычно вещества так и ведут себя. Но вода представляет исключение. Если взять обычную воду и, постепенно охлаждая ее, следить за изменением плотности то можно заметить, что в начале будет происходить совершенно обычный и естественный процесс - вода становится при охлаждении все плотнее и плотнее, и никаких отклонений от нормы мы не увидим до тех пор, пока не охладим воду до 4 °C. Ниже этой температуры вопреки общим представлениям вода вдруг становится легче, а замерзая она делается еще легче и образует лед, который плавает по поверхности воды. Замерзая, вода расширяется на 9% по отношению к прежнему объему. Это расширение может оказаться роковым для водопровода в случае наступления неожиданных морозов. Вода, замерзая в трубах, разорвет их.

Именно эта особенность воды, как известно предохраняет от сплошного промерзания в суровые зимы озера и пруды и тем самым спасает жизнь в этих водоемах. Осенний воздух охлаждает поверхностные слои озера, они становятся тяжелее и опускаются на дно. Озеро охлаждается. Но этот процесс идет лишь до тех пор, пока температура воды не достигнет 4 °C. Если теперь поверхностные слои станут еще холоднее, то они уже не опускаются на дно, так как плотность этих слоев меньше плотности глубинной воды, где сохраняется температура 4 °C. Отличия в плотности не велики - эти отличия проявляются лишь в четвертом знаке после запятой, - но этих отличий вполне достаточно, чтобы вода с температурой, близкой к 0 °C не могла проникнуть в глубину озера. Процесс охлаждения поверхностных слоев пойдет теперь быстрее и вскоре свинцовая гладь озера закроется первым хрупким льдом. Лед - плохой проводник тепла, надежно спрячет от страшных зимних морозов жизнь озера. Такой циркуляцией объясняется, почему на более мелких участках озера лед образуется раньше и в последствии он толще.

Разницей в температурах верхних и нижних слоев воды пользуются при работе земснарядов в зимних условиях. При помощи насосов из более глубоко части водоёма накачивают воду в поверхностные слои, чем предупреждают образование льда у работающего агрегата.

А вот морская вода (представляющая собой, как известно, рассол, в каждом литре которого содержится около 35 граммов солей) при охлаждении ведет себя совсем по-иному: наибольшая плотность у нее отмечается при более низких температурах, чем у пресной, а именно при -3,5 °C. Но замерзает морская вода при -1,9 °C, т.е. она превращается в лед не достигая максимальной плотности.

Если при плавлении льда объём полученной жидкости меньше, чем объём взятого льда, то можно сделать предположение, что переход льда в жидкое состояние будет облегчён, если лёд подвергнуть давлению, т.е. сближению кристаллов между собою. В самом деле, если оказать на лёд высокое давление, то температура плавления его понижается. Так, под давлением в 2045 атм (на 1 см²) лёд будет плавиться при температуре -22 °C. Дальнейшее повышение давления уже не снижает температуры плавления, так как образуются новые формы льда с новыми свойствами. Способностью льда таять при более низкой температуре под большим давлением объясняется и то, что у ледников, толщина которых громадна, таяние у основания начинается раньше чем на поверхности.

· Теплоемкость воды

Количество тепла, необходимого для нагревания 1 г воды на 1°, достаточно, чтобы нагреть на 1° 9,25 г железа, 10,3 г меди. Аномально высокая теплоемкость воды превращает моря и океаны в гигантский термостат, сглаживающий суточные колебания температуры воздуха. Причем не только большие массы воды, как моря, способы сглаживать эти колебания, но и обычный водяной пар атмосферы. Резкие суточные колебания температуры в районах великих пустынь связаны с отсутствием водяного пара в воздухе. Сухой воздух пустыни почти лишен водяного пара, который мог бы сдержать быстрое ночное охлаждение накалившегося за день песка, поэтому температура воздуха может оказаться не больше 5 °C.

Теплоёмкостью воды объясняется явление различного нагревания воды и суши: так как теплоёмкость твёрдых пород, составляющих поверхность суши, и теплоёмкость воды резко отличаются, то для нагревания до одной и той же температуры воды и песка потребуется различное количество тепла, поэтому днём температура песка выше, чем воды. Вода охлаждается медленнее, чем твёрдые породы, поэтому ночью песок холоднее, чем вода. Как известно, нагревание воздуха происходит не непосредственно лучами солнца, а путём отдачи тепла от нагреваемой поверхности суши и воды. В летнее время создаётся значительная разница температур между поверхностью суши и воды, в силу чего происходит перемещение воздуха в направлении, определяемом разницей температур воды морей и океанов и прилегающей к ним суши.

Теплоемкость воды (1 кал), кстати, в 2 раза больше теплоемкости льда (0,5 кал), а для всех других веществ плавление почти не сказывается на этой величине.

Почему в случае воды эта величина демонстрирует столь большое значение? Удельная теплоемкость - это количество тепла, которое надо сообщить одному грамму вещества, чтобы увеличить его температуру на один градус Цельсия. Следовательно, вода требует для своего нагревания аномально большое количество тепла. Так как возрастание температуры означает увеличение средней скорости движения молекул, то на молекулярном языке большая теплоемкость воды означает, что ее молекулы очень инертны. Чтобы увеличить среднюю скорость молекул H₂O, им нужно почему-то сообщить довольно много энергии, хотя сами молекулы по молекулярным масштабам сравнительно невелики. Все объясняется существованием водородных связей. Так как большая часть молекул связана в довольно большие комплексы, то отдельная "среднестатистическая" молекула H₂O может увеличить свою кинетическую энергию одним из двух способов. Она может, во-первых, освободившись от всех своих водородных связей, начать двигаться самостоятельно. И во-вторых, ускорение всего комплекса молекул приведет, разумеется, к увеличению скорости каждой молекулы H₂O, входящей в этот комплекс. Очевидно, что оба эти способа требуют значительных энергетических затрат, что и приводит к большому значению удельной теплоемкости воды.

· Скрытая теплота плавления и испарения воды

Если температура твердого тела повысилась до точки плавления или если жидкость достигла точки кипения, то наступает переходная фаза, как бы пауза, во время которой две фазы (твердая и жидкая или жидкая и газообразная) существуют одновременно. В течение этого промежутка времени, который продолжается до тех пор, пока твердое тело полностью не превратится в жидкость или жидкость в пар, поглощаемое тепло не вызывает никаких изменений в температуре тела. Это тепло называется скрытой теплотой, и его количество у различных веществ неодинаково. Скрытая теплота плавления, а также испарения, у воды необычайно велика; это обстоятельство имеет огромное значение для температуры поверхности земли. Употребляемое нами слово "скрытая" содержит уже некоторый намек на один физический закон, который необходимо подчеркнуть: тепло, поглощаемое водой, никуда не исчезает. Как известно, одним из основных законов природы является закон сохранения и превращения энергии. В самом общем виде этот закон формулируется так: энергия из одной формы переходит в другою (например, тепловая энергия может превращаться в механическую) не уничтожаясь; в замкнутой системе общее количество энергии остается постоянным. Этот закон подтверждается и приведенным нами случаем. Когда мы говорим, что вода обладает исключительной теплоемкостью, мы попросту констатируем, что вода как вещество может накопить больше тепловой энергии при меньшем движении атомов и молекул (а это как раз то, что измеряется температурой), чем любое другое широко распространенное вещество. Энергия остается на месте, в воде; она высвободится в виде тепла, когда температура окружающей среды понизится; в результате понижение температуры не будет таким резким. Вода, замерзая, отдает то же самое количество тепла, которое она поглощает при таянии льда. Мы знаем, что труднее переносить жаркую, но сырую погоду с температурой около 30°, чем сухую и ясную погоду с еще более высокой температурой. Причина этого двоякая: во-первых, наш пот, испаряясь, охлаждает нас, отнимая тепло с поверхности кожи и из окружающего воздуха, но он не может испаряться в насыщенной водяным паром атмосфере сырого дня; во-вторых, при конденсации водяного пара и превращении его в воду выделяется ровно столько тепла, сколько его было затрачено на испарение.

У воды самая высокая в мире минералов скрытая теплота испарения и скрытая теплота плавления. Чтобы выпарить воду из чайника, тепла потребуется в пять с половиной раз больше, чем для того, чтобы вскипятить его. Если бы не это ее свойство - даже в жару медленно испаряться, многие озера и реки летом пересыхали бы до дна. Для плавления льда нужно затратить большое количество теплоты. Скрытая теплота плавления (количество тепла, необходимое для расплавления 1 г льда при температуре 0°) составляет 79,4 кал. Вот почему весеннее таяние льда происходит медленно и спасает нас от больших половодий (хоть и не всегда).

· Диэлектрическая проницаемость воды

Основная электрическая характеристика любой среды - диэлектрическая проницаемость - в случае воды демонстрирует необычные для жидкости особенности. Во-первых, она очень велика, для статических электрических полей она равна 81, в то время как для большинства других веществ она не превышает значения 10. Если на любое вещество воздействовать переменным электрическим полем, то диэлектрическая проницаемость перестанет быть постоянной величиной, а зависит от частоты приложенного поля, сильно уменьшаясь для высокочастотных полей. Но диэлектрическая проницаемость воды уменьшается не только в переменных во времени полях, но также и в пространственно переменных полях, т.е. вода является нелокально поляризующейся средой.

Большое значение диэлектрической проницаемости объясняется особенностями молекулы H₂O. Большая величина статической диэлектрической проницаемости воды ε =81 связана с тем, что вода - сильно полярная жидкость и поэтому обладает мягкой ориентационной степенью свободы (т.е. вращения молекулярных диполей). Каждая молекула воды обладает значительным дипольным моментом. В отсутствие электрического поля диполи ориентированы случайным образом, и суммарное электрическое поле, создаваемое ими, равно нулю. Если воду поместить в электрическое поле, то диполи начнут переориентироваться так, чтобы ослабить приложенное поле. Такая картина наблюдается и в любой другой полярной жидкости, но вода благодаря большому значению дипольного момента молекул H₂O способна очень сильно (в 80 раз) ослабить внешнее поле. Так реагирует вода на внешнее электрическое поле, если приложенное поле постоянно по времени и слабо меняется (или вообще не меняется) в пространстве, заполняемом водой. В переменных электрических полях диэлектрическая проницаемость воды уменьшается с ростом частоты приложенного поля, достигая значения 4-5 для частот больше 10¹² Гц. В 1929 г. П. Дебай предложил описывать реакцию воды на внешнее электрическое поле с помощью комплексной диэлектрической проницаемости:

ε(ω) = ε_∞ + (ε_ο - ε_∞)/(1 + i ω τ)

где ω - частота внешнего электрического поля, i - мнимая единица, τ - характерное время релаксации, ε_∞ ≈ 4÷5 - диэлектрическая проницаемость воды при максимально высокой частоте внешнего поля.

Хотя при выводе своей формулы Дебай использовал довольно искусственную модель структуры воды, это выражение хорошо соответствует экспериментальным данным. Как видим, с ростом частоты внешнего поля диэлектрическая проницаемость резко падает. Молекулярное объяснение этого явления довольно просто. Любые индивидуальные движения молекулы H₂O сильно ограничены водородными связями. В переменных электрических полях молекулярные диполи стремятся отследить меняющееся поле. При небольших частотах это им удается. Однако по мере увеличения частоты ориентироваться становится все труднее и труднее. В конце концов диполи вообще перестают реагировать на внешнее поле. Диэлектрическая проницаемость теперь определяется лишь быстрым атомно-молекулярным механизмом перераспределения электрического заряда, который присущ всем веществам. Такие механизмы действуют в воде и в случае постоянных полей, но их вклад в общую величину диэлектрической проницаемости невелик, всего 4-5 единиц.

· Поверхностное натяжение воды

Вы видите его проявление всякий раз, когда наблюдаете, как вода медленно капает из водопроводного крана. Из крана появляется водяная пленка и начинает растягиваться, словно тонкая резиновая оболочка, под тяжестью заключенной в ней жидкости. Эта пленка, прикрепленная к отверстию крана, постепенно удлиняется, пока ее вес не станет вдруг слишком большим. Пленка, однако, не рвется, как порвалась бы резника при перегрузке. Вместо этого она "соскальзывает" с копчика крана и, как бы охватив небольшое количество воды, образует свободно падающую капельку. Несомненно, вы не раз наблюдали, что падающие капельки принимают почти шарообразную форму. Если бы не было внешних сил, они были бы строго шарообразны. То, что вы наблюдаете, является одним из проявлений необычной способности воды "стягиваться", "самоуплотняться", или, другими словами, ее способность к сцеплению (когезии). Капля воды, капающая из крана, стягивается в крошечный шар, а шар из всех возможных геометрических тел обладает наименьшей поверхностью при данном объеме.

Вследствие сцепления на поверхности воды образуется натяжение, и для того, чтобы разорвать поверхность воды, требуется физическая сила, причем, как это ни странно, довольно значительная. Ненарушенная водная поверхность может удерживать на себе предметы, которые значительно "тяжелее" воды, например стальную иголку или лезвие бритвы, или некоторых насекомых, которые скользят по воде, словно это не жидкость, а твердое тело.

Из всех жидкостей, кроме ртути, у воды самое большое поверхностное натяжение.

Внутри жидкости притяжение молекул друг к другу уравновешено. А на поверхности нет. Молекулы воды, которые лежат глубже, тянут вниз самые верхние молекулы. Поэтому капля воды как бы стремится максимально сжаться. Стягивают ее силы поверхностного натяжения.

Физики точно рассчитали, какую гирю надо подвесить к столбику воды толщиной в три сантиметра, чтобы разорвать его. Гиря потребуется огромная - больше ста тонн! Но это когда вода исключительно чистая. В природе такой воды нет. Всегда в ней что-то растворено. Пусть хоть немного, но чужеродные вещества разрывают звенья в прочной цепи молекул воды, и силы сцепления между ними уменьшаются.

Если нанести на стеклянную пластинку капли ртути, а на парафиновую - капли воды, то очень маленькие капельки будут иметь форму шара, а более крупные окажутся слегка сплюснутыми под действием силы тяжести.

Подобное явление объясняется тем, что между ртутью и стеклом, а также между парафином и водой возникают силы притяжения (адгезия) меньшие чем между самими молекулами (когезия). При соприкосновении воды с чистым стеклом, а ртути с металлической пластинкой мы наблюдаем почти равномерное распределение того и другого вещества на пластинках, так как силы притяжения между стеклом и молекулами воды, металлом и молекулами ртути больше, чем притяжение между отдельными молекулами воды и ртути. Такое явление, когда жидкость равномерно располагается на поверхности твёрдого тела, называется смачиванием. Значит, вода смачивает чистое стекле, но не смачивает парафин. Смачиваемость в частном случае может показать степень загрязнённости поверхности. Например, на чисто вымытой тарелке (фарфоровой, фаянсовой) вода растекается ровным слоем, в чисто вымытой колбе стенки равномерно покрываются водой, если же вода на поверхности принимает форму капель, то это указывает, что поверхность посуды покрыта тонким слоем вещества, которое не смачивает вода, чаще всего жиром.

Примеры строение воды:

1. Кристалл дистиллированной воды, не подвергнутый никакому воздействию.

2. Ключевая вода.

3. Антарктический лёд.

4. Так выглядит кристалл воды, прослушавшей «Пастораль» Бетховена.

5. Кристалл, образовавшийся после прослушивания тяжелого металлического рока.

6. Кристалл после воздействия слов «Ты — дурак» очень похож на кристалл после воздействия музыки “тяжелого рока”.

7. Слово «Ангел».

8. Слово «Дьявол».

9. Вода получила просьбу «Сделать это».

10. Вода получила приказ «Сделай это».

11. Слова «Ты надоел мне. Я убью тебя».

12. Вода получала электромагнитные излучения любви и благодарности

17. Слова «Любовь и благодарность», произнесенные на английском языке.

18. Слова «Любовь и благодарность», произнесенные на японском языке.

19. Слова «Любовь и благодарность», произнесенные на немецком языке

Амфифильные вещества:

Всем известно, что рыбы комфортно чувствуют себя только в воде, а большинство кошек относится к водным процедурам с явным недовольством, зато такие животные, как лягушка или тритон, вполне способны как плавать в реке или луже, так и свободно передвигаться по земле! Эти животные получили название земноводных или амфибий. Свои амфибии, способные растворяться как в гидрофильных, так и гидрофобных сами молекулы амфифильных соединений похожи на головастика: они состоят из длинного углеводородного хвоста (построенного обычно более чем из десяти СН₂-групп), обеспечивающего растворимость в неполярных средах, и полярной головы, ответственной за гидрофильные свойства. Таким образом, амфифильные соединения одновременно «любят» и воду (то есть являются гидрофильными), и неполярные растворители (проявляют гидрофобные свойства).

В зависимости от типа гидрофильной группы выделяют амфифильные соединения, несущие заряженную катионную или анионную функциональную группу, и амфифильные соединения с незаряженной функциональной группой. Абсолютное большинство известных органических соединений несут более чем одну заряженную функциональную группу. Примером таких веществ являются макромолекулярные соединения — белки, липопротеиды, блок-сополимеры и т.д. Наличие у молекул белка третичной структуры, образующейся в результате внутримолекулярных взаимодействий функциональных групп (полярных или неполярных) между собой, само по себе демонстрирует амфифильную природу этих соединений.

Другим примером амфифильных соединений является большинство лекарственных средств, молекулы которых сочетают в себе набор определенных функциональных групп, необходимых для эффективного связывания с рецептором-мишенью.

Роль амфифильных соединений в получении наноматериалов и нанотехнологических продуктов сложно переоценить. Амфифильные соединения часто являются поверхностно-активными веществами.Их молекулы «самоорганизуются» (самособираются) на различных границах раздела, образуя тонкие пленки самособирающихся монослоев толщиной всего в одну молекулу, формируют «мицеллярные» системы.

Амфифильные соединения играют особую роль в живой природе. Ни одно животное или растение не может существовать без них! Именно из амфифильных молекул состоит мембрана клетки, которая отделяет живой организм от враждебной внешней среды. Именно такие молекулы составляют внутренние органнелы клетки, участвуют в процессе ее деления, задействованы в обмене веществ с окружающей средой. Амфифильные молекулы служат нам пищей и образуются в наших организмах, участвуют во внутренней регуляции и цикле желчных кислот. Наш организм содержит более 10% амфифильных молекул. Именно поэтому синтетические поверхностно-активные вещества могут быть опасны для живых организмов и, например, способны растворить мембрану клетки и привести к ее гибели.