Аномалии физических свойств воды конкретно какие
Вода является веществом необычным, заслуживающим детального изучения. Советский академик И. В. Петрянов написал об этом удивительном веществе книгу «Самое необыкновенное вещество в мире». Какие аномалии физических свойств воды представляют особый интерес? Вместе будем искать ответ на этот вопрос.
Интересные факты
Мы редко задумываемся над смыслом слова «вода». На нашей планете более 70 % от всей площади занимают реки и озера, моря и океаны, айсберги, ледники, болота, снега на вершинах гор, а также вечная мерзлота. Несмотря на такое огромное количество воды, для питья пригоден только 1 %.
Биологическое значение
Организм человека на 70-80 % состоит из воды. Это вещество обеспечивает протекание всех жизненно важных процессов, в частности, благодаря ей из него выводятся токсины, восстанавливаются клетки. Основной функцией воды в живой клетке является структурно-энергетическая, при снижении количественного содержания ее в теле человека происходит его «усыхание».
Нет такой системы в живом организме, которая бы могла функционировать без H2O. Несмотря на аномалии воды, она является эталоном для определения количества теплоты, массы, температуры, высоты местности.
Основные понятия
H2O — оксид водорода, в котором содержится 11,19 % водорода, 88,81% кислорода по массе. Это бесцветная жидкость, которая не имеет ни запаха, ни вкуса. Вода является обязательным компонентом технологических процессов в промышленности.
Впервые данное вещество было синтезировано в конце 18 века Г. Кавендишем. Ученый взрывал смесь кислорода и водорода электрической дугой. Впервые проанализировал разницу в плотности льда и воды в 1612 году Г. Галилей.
В 1830 году была создана паровая машина французскими учеными П. Дюлонгом и Д. Араго. Это открытие позволило изучить взаимосвязь между давлением насыщенного пара и температурой. В 1910 году американским ученым П. Бриджменом и немцем Г. Тамманом обнаружено несколько полиморфных модификаций у льда при высоком давлении.
В 1932 году американскими учеными Г. Юри и Э. Уошберном была открыта тяжелая вода. Аномалии физических свойств данного вещества были открыты благодаря совершенствованию аппаратуры и методов проведения исследований.
Некоторые противоречия в физических свойствах
Чистая вода является прозрачной бесцветной жидкостью. Ее плотность при превращении в жидкость из твердого вещества возрастает, в этом проявляется аномалия свойств воды. Нагревание ее от 0 до 40 градусов приводит к росту плотности. В качестве аномалии воды необходимо отметить высокую теплоемкость. Температура кристаллизации составляет 0 градусов по Цельсию, а кипения — 100 градусов.
У молекулы этого неорганического соединения угловое строение. Ядра, входящие в ее состав, формируют равнобедренный треугольник, в основании которого располагаются два протона, а вершиной является атом кислорода.
Аномалии плотности
Ученым удалось выявить порядка сорока особенностей, характерных для H2O. Аномалии воды заслуживают пристального рассмотрения и изучения. Ученые пытаются пояснить причины каждого фактора, дать ему научное объяснение.
Аномалия плотности воды заключается в том, что у данного вещества свое максимальное значение плотность начинается при +3,98°С. При последующем охлаждении, переводе из жидкости в твердое состояние наблюдается уменьшение плотности.
Для остальных соединений плотность в жидкостях при уменьшении температуры снижается, так как увеличение температуры способствует росту кинетической энергии молекул (растет скорость их передвижения), что приводит к повышенной рыхлости вещества.
Рассматривая подобные аномалии воды, необходимо отметить, что и для нее при повышении температуры свойственен рост скорости, но плотность понижается только при повышенных температурных значениях.
После уменьшения плотности льда он будет находиться на поверхности воды. Объяснить данное явление можно тем, что молекулы имеют в кристалле регулярное строение, имеющее пространственную периодичность.
Если у обычных соединений молекулы упакованы в кристаллах плотно, то после плавления вещества, регулярность пропадает. Подобное явление наблюдается только при расположении молекул на значительных расстояниях. Уменьшение плотности при плавлении металлов является ничтожно малой величиной, оценивается в 2-4 %. Плотность воды превышает аналогичный показатель у льда на 10 процентов. Таким образом, это и есть проявление аномалии воды. Химия объясняет подобное явление дипольным строением, а также ковалентной полярной связью.
Аномалии сжимаемости
Продолжим разговор об особенностях воды. Для нее характерно непривычное температурное поведение. Ее сжимаемость, то есть уменьшение объема, по мере повышения давления вполне можно считать примером аномалии физических свойств воды. Конкретно какие особенности здесь необходимо отметить? Другие жидкости гораздо проще сжать под давлением, а вода приобретает такие признаки только при высоких температурах.
Температурное поведение теплоемкости
Данная аномалия является одной из сильнейших для воды. Теплоемкость говорит о том, какое необходимо затратить количество теплоты для того, чтобы повысить температуру на 1 градус. Для многих веществ после плавления теплоемкость жидкости увеличивается не больше чем на 10 процентов. А для воды после плавления льда данная физическая величина возрастает в два раза. Ни у одного вещества подобного роста теплоемкости не зафиксировано.
Во льду та энергия, которая подводится к нему для нагревания, расходуется в большей части на рост скорости движения молекул (кинетическую энергию). Существенный рост после плавления теплоемкости свидетельствует о том, что в воде происходят иные энергоемкие процессы, для которых нужно подводимое тепло. Именно они и являются причиной повышенной теплоемкости. Данное явление характерно для всего диапазона температур, при котором вода имеет жидкое агрегатное состояние.
Как только она превращается в пар, аномалия пропадает. В настоящее время многие ученые занимаются анализом свойств переохлажденной воды. Оно заключается в ее возможности сохранять жидкое состояние ниже точки кристаллизации 0°С.
Переохладить воду вполне можно в тонких капиллярах, а также в неполярной среде в качестве мельчайших капелек. Возникает закономерный вопрос о том, что наблюдается с аномалией плотности в подобной ситуации. По мере переохлаждения плотность воды существенно снижается, она стремится к плотности льда при понижении температурного значения.
Причины появления
Когда спрашивают: «Назовите аномалии воды и охарактеризуйте их причины», необходимо связывать их с перестройкой структуры. Расположение частиц в структуре любого вещества определяется особенностями взаимного расположения в ней частиц (атомов, ионов, молекул). Между молекулами воды действуют водородные силы, которые выводят данную жидкость из зависимости между температурами кипения и плавления, характерной для иных веществ, находящихся в жидком агрегатном состоянии.
Появляются они между молекулами данного неорганического соединения благодаря особенностям распределения плотности электронов. Атомы водорода обладают определенным положительным зарядом, а кислорода — отрицательным. В итоге молекула воды имеет форму правильного тетраэдра. Подобное строение характеризуется валентным углом 109,5°. Самым выгодным расположением является размещение по одной линии кислорода и водорода, имеющих разный заряд, следовательно, водородная связь характеризуется электростатической природой.
Итак, необычные (аномальные) свойства воды являются следствием особенного электронного строения ее молекулы.
«Память» воды
Есть такое мнение, что вода обладает памятью, может накапливать и переносить энергию, питая тело виртуальной информацией. Длительное время данной проблемой занимался японский ученый Масару Эмото. Результаты своих исследований доктор Эмото опубликовал в книге «Послания воды». Ученым были проведены эксперименты, в рамках которых он сначала замораживал при 5 градусах каплю воды, а потом анализировал структуру кристаллов под микроскопом. Для фиксации получаемых результатов он использовал микроскоп, в который была встроена фотокамера.
В рамках эксперимента Масау Эмото воздействовал на воду разными способами, потом заново ее замораживал, вел фотосъемку. Ему удалось получить зависимость между формой кристаллов льда и музыкой, которую «слушала» вода. Удивительно, но самые гармоничные снежинки ученый зафиксировал при использовании классической и народной музыки.
Использование современной музыки, по мнению Масау, «загрязняет» воду, поэтому им были зафиксированы кристаллы неправильной формы. Интересным фактом является и выявление японским ученым зависимости между формой кристаллов и человеческой энергией.
Вода — это самое удивительное вещество, которое содержится в большом количестве на нашей планете. Сложно представить себе какие-либо сферы деятельности современного человека, в которых бы она не принимала активное участие. Многогранность данного вещества определяется аномалиями, причиной которых стало тетраэдрическое строение воды.
12.08 2009, 15:52 РИА «Новости»
Аномальные свойства воды, определяющие, в том числе и наличие жизни на Земле — её переменная плотность, высокая теплоемкость и большое поверхностное натяжение, объясняются двумя типами структур, в которые самоорганизуются молекулы жидкости, уверены авторы нового исследования, опубликованного в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Ученым давно были известны 66 необъяснимых свойств воды, отличающих её от большинства других химических веществ, встречающихся в жидком состоянии. Так, в отличие от всех известных жидкостей, плотность которых монотонно увеличивается с понижением температуры, плотность воды максимальна при 4 градусах Цельсия, а при дальнейшем понижении температуры вновь начинает убывать. Это уникальное свойство воды делает возможной жизнь в реках и озерах — в противном случае эти относительно мелкие водоемы неизбежно промерзали бы до дна в зимний период и были бы лишены всех живых организмов, за исключением, может быть, простейших бактерий экстремофилов.
Вода обладает огромной теплоемкостью — благодаря этому теплые океанические течения согревают многие северные регионы планеты, принося тепло из южных широт.
Аномально высокое поверхностное натяжение жидкой воды не только позволяет некоторым насекомым спокойно ходить по её поверхности, но и благодаря капиллярным силам обеспечивает поступление питательных веществ к кронам гигантских деревьев, достигающих нескольких десятков метров в высоту.
Объяснить эти свойства на основании лишь строения и химических параметров молекул воды ученые до последнего времени не могли. Секрет крылся в структуре, в которую самоорганизуются молекулы жидкой воды. Он долгое время оставался неразгаданным, так как изучить эту структуру теми же методами, что применяются для изучения строения твердых тел, практически невозможно.
Команда Андерса Нильсона (Anders Nilsson), ведущего специалиста Стенфордского центра синхротронного излучения (Stanford Synchrotron Radiation Lightsource), сумела преодолеть эти трудности благодаря новейшим методам изучения строения жидкостей с использованием мощного рентгеновского излучения, получаемого с помощью больших ускорителей элементарных частиц, называемых синхротронами. Один из использованных в работе синхротронов находится в Японии, а второй в США.
Ученые выяснили, что существовавшие до сих пор представления о молекулярной структуре воды были неверными — оказалось, что её молекулы формируют не одну структуру, а одновременно два типа структур, сосуществующих в жидкости вне зависимости от температуры. Один тип структуры формируется в виде сгустков примерно по 100 молекул, структура которых напоминает структуру льда. Второй тип структуры, окружающей сгустки, гораздо менее упорядочен.
Увеличение температуры вплоть до точки кипения воды приводит к некоторому искажению структуры сгустков и уменьшению их количества и доминированию разупорядоченной структуры.
«Этот процесс можно представить как танцевальный клуб, где часть людей сидит за столиками, отражая упорядоченную компоненту воды, а часть находясь в толпе, непрерывно перемещается в танце, отражая разупорядоченную. Увеличение температуры воды в этом случае можно сравнить с всеобщим поднятием настроения и ускорением музыки, когда люди начинают вставать из-за столов и присоединяться к танцующим, а часть пустующих столов и вовсе убирается для высвобождения места. Охлаждение — обратный процесс, когда танцпол заполняется столами, и за них присаживаются утомленные танцами гости клуба. При этом при одной и той же “температуре” танцующие и сидящие люди постоянно меняются местами — некоторые присаживаются отдохнуть а некоторые наоборот идут танцевать, тогда как общее соотношение танцующих и сидящих остается прежним» — пояснил результаты работы Нильсон, слова которого приводит пресс-служба Стенфордского центра линейных ускорителей в США.
Это, в частности, объясняет нелинейную зависимость плотности воды от температуры — упорядоченные скопления молекул имеют меньшую плотность, чем неупорядоченные, и она мало меняется с изменением температуры, которую можно сравнить с постоянным размером столов, не зависящим от настроения собравшихся или громкости музыки в ресторане.
Закажите консультацию специалиста компании Гейзер
Остались вопросы? Мы всегда готовы предоставить консультацию по всем вопросам очистки воды!
Заказать консультацию
Аномальные свойства воды до сих пор являются для академической науки загадкой …
Что такое аномальные свойства воды …
Целый ряд свойств воды выпадает из общих закономерностей и правил таких наук как физика и химия. Эти свойства не соответствуют законам «периодической системы», разработанной гениальным ученым-химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым.
Про общие физические и химические свойства воды, мы писали в нашем материале – ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ В ЖИДКОМ СОСТОЯНИИ ( читать >>> ).
Аномальные свойства воды
В этом материале, мы кратко перечислим основные аномальные свойства воды.
Замерзание и кипение
Температуры замерзания и кипения воды не соответствуют общим закономерностям и законам химии. Так мы знаем, что вода в реальной жизни замерзает при 0°C, а кипит при 100°C, в то время как в соответствии с общими правилами химии эти процессы должны проходить при -90°C (минус девяносто) и -70°C (минус 70) соответственно.
Уникальные термические свойства воды
Вода имеет уникальную по своей величине аномальную теплоемкость равную 4,18 кДж (кг-К). Это означает, что вода медленно охлаждается и медленно нагревается.
Вода является эффективным регулятором температур, она ограничивает резкие перепады температур. Более подробно с этим ее свойством вы можете ознакомиться в нашей статье – Удельная теплоемкость воды, или почему мы такие, какие есть.
Температурная яма
Наибольшая скорость нагрева и охлаждения воды происходит в так называемой «температурной яме», которая образуется вследствие того, что в районе 37 °C теплоемкость у воды наименьшая.
Как мы видим, температура человеческого тела 36,6 °C близка к этому значению.
Эффект Мпембы – эффект горячей воды
Удивительно, но факт – горячая вода замерзает быстрее холодной, что противоречит логике и общему восприятию вещей.
Температура воды + 3,98 °C
Как мы уже отметили выше, температура + 3,98 °C, является для воды важным значением. При понижении температуры до этого уровня вода ведет себя в соответствии с общими законами и правилами этих наук. При дальнейшем понижении температуры у воды начинают проявляются ее аномальные свойства.
При температуре + 3,98 °C у воды плотность имеет наибольшее значение, а объем наименьший.
Объем и плотность
Еще одним важным для всех нас является ее аномальное свойство при замерзании увеличиваться в объеме, тем самым уменьшая свою плотность. Уточним, что до + 3,98 °C вода ведет в соответствии с общими законами химии и физики, а далее проявляются ее аномальные свойства.
Поверхностное натяжение
Еще одним удивительным и во многом аномальным свойством воды является ее поверхностное натяжение.
Хорошо всем известный пример демонстрирует, как аккуратно положенная на воду металлическая швейная игла плавает на ее поверхности, что во многом удивительно. Ведь плотность метала гораздо больше плотности воды.
Вся жизнь на Земле своим существованием во многом обязано именно этому свойству воды.
Вода — отличный растворитель
Вода является отличным растворителем, она удивительно легко растворяет большое количество самых разнообразных веществ и газов. И что тоже весьма важно, так же легко их отдает. Например, благодаря именно этому свойству после дождя мы чувствуем удивительную свежесть – дождь очищает воздух.
Вода и магнитное поле
Под воздействием магнитного поля у воды меняется ее способность к растворению веществ, изменяется скорость, проходящих в ней, химических реакций.
Заключение
Аномальные свойства воды еще раз подтверждают общеизвестное высказывание — удивительное рядом.
Аномальные свойства воды, или удивительное рядом
ДАТА СОЗДАНИЯ ПУБЛИКАЦИИ: Сен 22, 2015 14:34 Waterman
В периодической системе элементов Д.И. Менделеева кислород образует отдельную подгруппу. Она так и называется: подгруппа кислорода.
Входящие в нее кислород, сера, селен и теллур имеют много общего в физических и химических свойствах. Общность свойств прослеживается, как правило, и для однотипных соединений, образованных членами подгруппы. Однако для воды характерно отклонение от правил.
Из самых легких соединений подгруппы кислорода (а ими являются гидриды) вода — легчайшее. Физические характеристики гидридов, как и других типов химических соединений, определяются положением в таблице элементов соответствующей подгруппы. Так, чем легче элемент подгруппы, тем выше летучесть его гидрида. Поэтому в подгруппе кислорода самой высокой должна быть летучесть воды — гидрида кислорода.
Это же свойство очень явственно проявляется и в способности воды «прилипать» ко многим предметам, то есть смачивать их. При изучении этого явления установили, что все вещества, которые легко смачиваются водой (глина, песок, стекло, бумага и др.), непременно имеют в своем составе атомы кислорода. Для объяснения природы смачивания этот факт оказался ключевым: энергетически неуравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают возможность образовывать дополнительные водородные связи с «посторонними» атомами кислорода.
Благодаря поверхностному натяжению и способности к смачиванию, вода может подниматься в узких вертикальных каналах на высоту большую чем та, которая допускается силой тяжести, то есть вода обладает свойством капиллярности.
Капиллярность играет важную роль во многих природных процессах, происходящих на Земле. Благодаря этому вода смачивает толщу почвы, лежащую значительно выше зеркала грунтовых вод и доставляет корням растений растворы питательных веществ. Капиллярностью обусловлено движение крови и тканевых жидкостей в живых организмах.
Самыми высокими оказываются у воды как раз те характеристики, которые должны были бы быть самыми низкими: температуры кипения и замерзания, теплоты парообразования и плавления.
Температуры кипения и замерзания гидридов элементов кислородной подгруппы графически представлены на рис. У самого тяжелого из гидридов H2Te они отрицательны: выше 0 oС это соединение газообразно. По мере перехода к гидридам более легким (H2Se, H2S) температуры кипения и замерзания все более снижаются. Сохранись и далее эта закономерность, можно было бы ожидать, что вода должна кипеть при -70 oС и замерзать при -90 oC. В таком случае в земных условиях она никогда не могла бы существовать ни в твердом, ни в жидком состояниях. Единственно возможным было бы газообразное (парообразное) состояние. Но на графике зависимости температуры неожиданно резкий подъем — температура кипения воды +100 oС, замерзания -0 oC. Это наглядное преимущество ассоциативности — широкий температурный интервал существования, возможность осуществить все фазовые состояния в условиях нашей планеты. Ассоциативность воды сказывается и на очень высокой удельной теплоте ее парообразования. Чтобы испарить воду, уже нагретую до 100 oС, требуется вшестеро больше количества теплоты, чем для нагрева этой же массы воды на 80 oС (от 20 до 100 oС).
Каждую минуту миллион тонн воды гидросферы испаряется от солнечного нагрева. В результате в атмосферу постоянно поступает колоссальное количество теплоты, эквивалентное тому, которое бы вырабатывали 40 тысяч электростанций мощностью 1 млрд. киловатт каждая.
При плавлении льда немало энергии уходит на преодоление ассоциативных связей ледяных кристаллов, хотя и вшестеро меньше, чем при испарении воды. Молекулы Н2Oфактически остаются в той же среде, меняется лишь фазовое состояние воды.
Удельная теплота плавления льда более высокая, чем у многих веществ, она эквивалентна расходу количества теплоты при нагреве 1 г воды на 80 oС (от 20 до 100 oС).
При замерзании воды соответствующее количество теплоты поступает в окружающую среду, при таянии льда — поглощается. Поэтому ледяные массы, в отличие от масс парообразной воды, являются своего рода поглотителями тепла в среде с плюсовой температурой.
Аномально высокие значения удельной теплоты парообразования воды и удельной теплоты плавления льда используются человеком в производственной деятельности. Знание природных особенностей этих физических характеристик иногда подсказывает смелые и эффективные технические решения. Так, воду широко применяют в производстве как удобный и доступный охладитель в самых разнообразных технологических процессах. После использования воду можно возвратить в природный водоем и заменить свежей порцией, а можно снова направить на производство, предварительно охладив в специальных устройствах — градирнях.
На многих металлургических производствах Донбасса в качестве охладителя используют не холодную воду, а кипяток. Охлаждение идет за счет использования теплоты парообразования — эффективность процесса повышается в несколько раз, к тому же отпадает надобность в сооружении громоздких градирен. Конечно, кипяток-охладитель используют там, где нужно охладить объекты, нагретые выше 100 oC. А вот пример совсем из другой области человеческой деятельности — сельского хозяйства, садоводства. Когда поздней весной внезапные ночные заморозки угрожают цветущим плодовым деревьям, опытные садоводы находят выход, кажущийся совершенно неожиданным: они проводят дождевание сада. Пелена мельчайших водных брызг окутывает замерзающие деревья. Капельки воды покрывают лепестки цветов. Превращаясь в лед, вода надевает на цветы ледяную шубу, отдавая при этом им свое тепло (335 Дж от 1 г замерзающей воды).
Широкое применение воды в качестве охладителя объясняется не только и не столько ее доступностью и дешевизной. Настоящую причину нужно тоже искать в ее физических особенностях. Оказывается, вода обладает еще одной замечательной способностью — высокой теплоемкостью. Поглощая огромное количество теплоты, сама вода существенно не нагревается. Удельная теплоемкость воды в пять раз выше, чем у песка, и почти в десять раз выше, чем у железа.
Способность воды накапливать большие запасы тепловой энергии позволяет сглаживать резкие температурные колебания на земной поверхности в различные времена года и в разное время суток. Благодаря этому вода является основным регулятором теплового режима нашей планеты.
Интересно, что теплоемкость воды аномальна не только по своему значению. Удельная теплоемкость разная при различных температурах, причем характер температурного изменения удельной теплоемкости своеобразен: она снижается по мере увеличения температуры в интервале от 0 до 37 oС, а при дальнейшем увеличении температуры — возрастает. Минимальное значение удельной теплоемкости воды обнаружено при температуре 36,79 oС, а ведь это нормальная температура человеческого тела! Нормальная температура почти всех теплокровных живых организмов также находится вблизи этой точки.
Оказалось, что при этой температуре осуществляются и микрофазовые превращения в системе «жидкость — кристалл», то есть «вода — лед». Установлено, что при изменении температуры от 0 до 100 oС вода последовательно проходит пять таких превращений. Назвали их микрофазовыми, так как протяженность кристаллов микроскопична, не более 0,2…0,3 нм. Температурные границы переходов — 0, 15, 30, 45, 60 и 100 oС.
Температурная область жизни теплокровных животных находится в границах третьей фазы (30…45 oС). Другие виды организмов приспособились к иным температурным интервалам. Например, рыбы, насекомые, почвенные бактерии размножаются при температурах, близких к середине второй фазы (23…25 oС), эффективная температура весеннего пробуждения семян приходится на середину первой фазы (5…10 oС).
Характерно, что явление прохождения удельной теплоемкости воды через минимум при температурном изменении обладает своеобразной симметрией: при отрицательных температурах также обнаружен минимум этой характеристики. Он приходится на -20 oС.
Если вода ниже 0 oС сохраняет не замерзшее состояние, например, будучи мелкодисперсной, то около -20 oС резко увеличивается ее теплоемкость. Это установили американские ученые, исследуя свойство водных эмульсий, образованных капельками воды диаметром около 5 микрон.
Углубленное изучение физического смысла и направлений практического применения данного явления еще ждут своих исследователей. Но уже и теперь ясно, что эти открытия представляют очень интересный и ценный познавательный материал.