Какие есть аномалии физических свойств воды
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
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
Для всех веществ с увеличением температуры нагрева растёт удельная теплоёмкость. У воды с 0 до 37ºС удельная теплоёмкость уменьшается, а с 37ºС – растёт. Совпадение температуры перелома графика изменения удельной теплоёмкости воды с нормальной температурой человеческого тела наводит на мысль о том, что вода помогает терморегулированию человека: при переохлаждении организма она замедляет дальнейшую отдачу тепла, а при перегреве – наоборот ускоряет.
Трём требованиям к «жизненному» растворителю: амфотерности, химической активности без изменения природы растворяемого вещества и высокой диэлектрической проницаемости – удовлетворяет только вода, поэтому аммиачная, фтористоводородная и прочие формы жизни невероятны. По некоторым оценкам, 90% своей истории органические формы жизни на планете формировались и существовали в воде и только последние 400 млн. лет стали осваивать сушу поэтому все типы животных сформировались в докембрии (т.е. в гидросфере), после выхода жизни на сушу в фанерозое не сформировалось ни одного нового типа животных.
Вернадский отнёс воду к царству минералов. Она имеет неповторимую, только ей присущую внутреннюю структуру и кристаллическую решётку, сохраняя свои свойства во всех состояниях и проявлениях, Благодаря высокой способности смачивания и поверхностного натяжения вода, наперекор силе тяжести, поднимается по тонким порам – капиллярам на 12м и обеспечивает растения почвенной влагой. Капиллярная вода отличается от обычной: в 15 раз большей вязкостью, максимальную плотность она приобретает при 10ºС и даже при -30ºС не замерзает.
Вода благодаря силам выталкивания поднимает тела вверх, делая их легче. Растения бы не могли расти без этой способности воды. Если бы вода не обладала уникальной способностью уменьшать свою плотность при льдообразовании (с 4 до 0ºС) за счёт увеличения объёма, то образовывающийся в водоёмах лёд осел бы на дно и вся гидросфера Земли очень быстро превратилась бы в сплошной лёд, что повлекло бы к катастрофе и необратимым изменениям на Земле. Очередное аномальное качество воды – понижение точки замерзания её при увеличении давления – не позволяет промерзать земной оболочке на сотни метров больше возможного при одинаковых внешних условиях (температуре и снежном покрове на поверхности). Вода расслаивается по плотности подо льдом так, что зимой в пресных водоёмах с глубиной становится теплее. Придонные, как правило, неподвижные слои воды передают тепло вышерасположенным и, а через них – ледяному слою исключительно путём молекулярной теплопроводности. Которая у воды в 4 раза меньше, чем у льда. Поэтому толща воды – это огромное термическое сопротивление. Ни естественной, ни вынужденной конвекции в такой толще воды нет, следовательно, нет и конвективной, разорительной для водных потоков Севера теплопередачи. Реки Крайнего Севера с сильным течением промерзают до глубины 5м, что вряд ли обусловлено жёсткими морозами. Вода в них не в состоянии расслоиться по температурам и плотностям. Вынужденная конвекция турбулентного движения вынуждает всю толщу воды соприкасаться с воздухом и отдавать тепло так интенсивно, как не отдаёт ни одна плавно текущая река, не говоря про озёра – на Оймяконском полюсе холода они промерзают на глубину не свыше 2м.
По скрытой теплоте испарения воде нет равных. Поэтому межсезонье (осень с весной) умеренных широт – это и время перестройки водной структуры. Для этого весной требуется много тепла и времени, т.к. приток тепла нарастает медленно, а снежные запасы на земной поверхности ещё велики. Осенью выделяемая скрытая теплота замерзания воды тормозит процесс наступления зимы. Редкое свойство служить резервуаром двуокиси углерода – инструмент поддерживания жизни планеты. Из-за возможности абсорбировать двуокись углерода увеличивается её способность растворять твёрдые вещества. Поэтому вода объединяет жизнь континентов и морских глубин во взаимозависимое единство. Оно выражено и в циркулировании воды в природе, одним из уникальных проявлений которого является способность воды избавляться от растворённых солей. Таким способом вода частично «утилизирует» загрязнения от хозяйственной деятельности человека.
Вода — это хранитель информации и при образовании особых условий будет выдавать соответствующую информацию. Как кровь разносит информацию по органам, так и вода, природным круговоротом через испарения и осадки проникает и охватывает мир информационными узами. И каждая частичка её структуры несёт информацию о себе самой, как фотография и о соседних частичках, как голограмма. Вода, стало быть, информационная базис биологической жизни Мироздания. Вязкость любых жидкостей с ростом давления растёт, а у воды наоборот, что обеспечивает её значительную подвижность в подземных глубинах планеты с огромным давлением. Водную молекулу весьма трудно разрушить и вода существует в обстановке разнообразных и мощных воздействий, даже в космосе и в недрах нашей планеты. Свойства воды изменяются до неузнаваемости с попаданием в дисперсные среды, когда она оказывается соединённой с другими веществами или рассредоточенной в маленьких объёмах. Её уникальные свойства становятся аномальными, отнюдь не все они изучены, и даже не обнаружены.
Для всех веществ с увеличением температуры нагрева растёт удельная теплоёмкость. У воды с 0 до 37ºС удельная теплоёмкость уменьшается, а с 37ºС – растёт. Совпадение температуры перелома графика изменения удельной теплоёмкости воды с нормальной температурой человеческого тела наводит на мысль о том, что вода помогает терморегулированию человека: при переохлаждении организма она замедляет дальнейшую отдачу тепла, а при перегреве – наоборот ускоряет.
Трём требованиям к «жизненному» растворителю: амфотерности, химической активности без изменения природы растворяемого вещества и высокой диэлектрической проницаемости – удовлетворяет только вода, поэтому аммиачная, фтористоводородная и прочие формы жизни невероятны. По некоторым оценкам, 90% своей истории органические формы жизни на планете формировались и существовали в воде и только последние 400 млн. лет стали осваивать сушу поэтому все типы животных сформировались в докембрии (т.е. в гидросфере), после выхода жизни на сушу в фанерозое не сформировалось ни одного нового типа животных.
Вернадский отнёс воду к царству минералов. Она имеет неповторимую, только ей присущую внутреннюю структуру и кристаллическую решётку, сохраняя свои свойства во всех состояниях и проявлениях, Благодаря высокой способности смачивания и поверхностного натяжения вода, наперекор силе тяжести, поднимается по тонким порам – капиллярам на 12м и обеспечивает растения почвенной влагой. Капиллярная вода отличается от обычной: в 15 раз большей вязкостью, максимальную плотность она приобретает при 10ºС и даже при -30ºС не замерзает.
Вода благодаря силам выталкивания поднимает тела вверх, делая их легче. Растения бы не могли расти без этой способности воды. Если бы вода не обладала уникальной способностью уменьшать свою плотность при льдообразовании (с 4 до 0ºС) за счёт увеличения объёма, то образовывающийся в водоёмах лёд осел бы на дно и вся гидросфера Земли очень быстро превратилась бы в сплошной лёд, что повлекло бы к катастрофе и необратимым изменениям на Земле. Очередное аномальное качество воды – понижение точки замерзания её при увеличении давления – не позволяет промерзать земной оболочке на сотни метров больше возможного при одинаковых внешних условиях (температуре и снежном покрове на поверхности). Вода расслаивается по плотности подо льдом так, что зимой в пресных водоёмах с глубиной становится теплее. Придонные, как правило, неподвижные слои воды передают тепло вышерасположенным и, а через них – ледяному слою исключительно путём молекулярной теплопроводности. Которая у воды в 4 раза меньше, чем у льда. Поэтому толща воды – это огромное термическое сопротивление. Ни естественной, ни вынужденной конвекции в такой толще воды нет, следовательно, нет и конвективной, разорительной для водных потоков Севера теплопередачи. Реки Крайнего Севера с сильным течением промерзают до глубины 5м, что вряд ли обусловлено жёсткими морозами. Вода в них не в состоянии расслоиться по температурам и плотностям. Вынужденная конвекция турбулентного движения вынуждает всю толщу воды соприкасаться с воздухом и отдавать тепло так интенсивно, как не отдаёт ни одна плавно текущая река, не говоря про озёра – на Оймяконском полюсе холода они промерзают на глубину не свыше 2м.
По скрытой теплоте испарения воде нет равных. Поэтому межсезонье (осень с весной) умеренных широт – это и время перестройки водной структуры. Для этого весной требуется много тепла и времени, т.к. приток тепла нарастает медленно, а снежные запасы на земной поверхности ещё велики. Осенью выделяемая скрытая теплота замерзания воды тормозит процесс наступления зимы. Редкое свойство служить резервуаром двуокиси углерода – инструмент поддерживания жизни планеты. Из-за возможности абсорбировать двуокись углерода увеличивается её способность растворять твёрдые вещества. Поэтому вода объединяет жизнь континентов и морских глубин во взаимозависимое единство. Оно выражено и в циркулировании воды в природе, одним из уникальных проявлений которого является способность воды избавляться от растворённых солей. Таким способом вода частично «утилизирует» загрязнения от хозяйственной деятельности человека.
Вода — это хранитель информации и при образовании особых условий будет выдавать соответствующую информацию. Как кровь разносит информацию по органам, так и вода, природным круговоротом через испарения и осадки проникает и охватывает мир информационными узами. И каждая частичка её структуры несёт информацию о себе самой, как фотография и о соседних частичках, как голограмма. Вода, стало быть, информационная базис биологической жизни Мироздания. Вязкость любых жидкостей с ростом давления растёт, а у воды наоборот, что обеспечивает её значительную подвижность в подземных глубинах планеты с огромным давлением. Водную молекулу весьма трудно разрушить и вода существует в обстановке разнообразных и мощных воздействий, даже в космосе и в недрах нашей планеты. Свойства воды изменяются до неузнаваемости с попаданием в дисперсные среды, когда она оказывается соединённой с другими веществами или рассредоточенной в маленьких объёмах. Её уникальные свойства становятся аномальными, отнюдь не все они изучены, и даже не обнаружены.
Особенности структуры воды определяют особенности ее физических свойств, имеющих «аномальный» характер по сравнению с родственными веществами — гидридами элементов VI группы (серы, селена, теллура) или прочими жидкостями, имеющими сферически симметричные молекулы. Большинство аномальных свойств воды проявляется при низких температурах и давлениях, характерных как раз для природных условий гидросферы Земли. При этом сами аномальные свойства сильно зависят от температуры и давления.
Рассмотрим вначале одно из важнейших свойств — температуру фазовых переходов. Точки плавления водородных соединений элементов VI группы понижаются с уменьшением молекулярного веса от Н2Те (-60°) к H2Se и H2S (-85°) (Хорн, 1972]. Экстраполируя этот ряд, можно получить температуру плавления Н20, равную -90-95°. Таким образом, положительная аномалия температуры замерзания составляет почти 100°! Еще более значительна аномалия температуры кипения воды: продолжая ряд свойств гидридов, можно получить
экстраполированную величину около -65°, т.е. на 165° ниже существующей. Такие особенности фазовых переходов, видимо, определяются большими дипольными моментами и наличием водородных связей между молекулами воды: необходимостью дополнительных затрат тепловой энергии для преодоления
электромагнитных взаимодействий молекул при плавлении или испарении.
Плотность жидкостей, как правило, при нагревании уменьшается. Для пресной воды при повышении температуры от 0° до 4° плотность увеличивается, а при дальнейшем нагревании уменьшается. Это, по- видимому, объясняется перегруппировкой молекул в этом интервале температур: происходит заполнение пустот “рыхлой” тетраэдрической структуры . По мере увеличения теплового движения молекул при температуре выше 4°С увеличивается количество бесструктурных объемов, а плотность начинает понижаться.
Твердые тела, как правило, имеют большую плотность, чем жидкости, получающиеся при их плавлении. Вода, наряду с чугуном и висмутом, увеличивает свой объем при замерзании почти на 10%. На рис. 1.2.1 представлено изменение объема 1000 кг воды в твердой и жидкой фазах при изменении температуры от -40° до 100°. Замерзание «увм воды, как следует из рисунка,
Рис. 1.3.1. Объем 1000 кг льда и воды при атмосферном давлении
увеличивает ее объем вдвое больше, чем нагревание до 100°. При этом объем единицы массы (обратная плотности величина) у льда увеличивается с ростом температуры линейно, а в жидкой воде эта зависимость нелинейная и рост объема начинается только в диапазоне температур выше 4°С.
Удельная теплоемкость воды при нагревании от 0° до 27°, в отличие от большинства веществ, уменьшается на 1% и лишь при более высокой температуре начинает возрастать. Разрушение структуры молекул Н2О при невысоких температурах сопровож-дастся высвобождением энергии связи в кристаллической решетке, а эта энергия тратится на дополнительное повышение температуры воды. Вообще же удельная теплоемкость воды — одна из самых высоких для всех веществ, она вдвое превосходит теплоемкости пара и льда. Согласно модели Самойлова, такая аномалия объясняется переходом молекул из каркаса в полости, что требует затраты значительной энергии. Этот эффект может качественно объяснить и другие аномальные теплофизические свойства воды, например, высокую теплоту плавления льда. Молекулярная теплопроводность воды также оказывается наиболее высокой среди всех жидкостей, причем обусловлена она легкостью передвижения связанных менее жестко полостных молекул.
Высокое значение теплоты парообразования объясняется энергией, необходимой для разрыва водородных связей между молекулами при переходе в пар. Интересно, что среднее число водородных связей, приходящихся на одну молекулу, при росте температуры от 0° до 100° падает менее чем на 50% и даже при 100°С вода остается хорошо структурированной.
Производная молярного объема воды по давлению дает коэффициент сжимаемости, он у воды аномально низок. Возрастание давления на воду приводит к заполнению имеющихся пустот. Если обычно в жидкостях с плотной упаковкой молекул повышение давления упорядочивает их расположение, то в воде повышение давления (до определенных пределов) разрушает структуру.
В нормальных жидкостях с ростом давления уменьшается подвижность молекул и возрастает вязкость. В воде же при температурах ниже 20°С вязкость уменьшается с ростом давления. Основную роль при этом играют те 10-20% молекул, которые находятся в полостях и обеспечивают основной вклад в кинетические свойства воды [Стунжас, 1979].
Вода обладает также наиболее высоким среди жидкостей (за исключением ртути) поверхностным натяжением, это свойство определяет особенности формирования поверхностного микрослоя в природных водоемах и протекание многих биологических процессов.
Несмотря на наличие у молекул НгО дипольного момента, их взаимная связь в твердой и жидкой фазе приводит к тому, что под воздействием внешнего переменного электрического поля полной переориентации диполей не происходит. Поэтому у воды очень высок коэффициент диэлектрической проницаемости, показывающий отношение электрической индукции к напряженности электрического поля. Два электрических заряда в воде взаимодействуют в 80-88 раз слабее, чем в вакууме.
С особенностями проявления аномальных свойств воды в реальных условиях океанов и морей, а также с количественными значениями термодинамических параметров воды, мы познакомимся в главе 3. Ряд характеристик (гидрооптические, акустические, свойства льдов) будут рассматриваться в других разделах курса «Океанология».
В заключение этого параграфа приведем с небольшими сокращениями таблицу (табл.1.3.1) описанных нами аномальных свойств морской воды и их роли в физических и биологических явлениях, взятых из книги [Sverdrup, Johnson, Fleming, 1942].