Глава 2. Удивительная вода

Основы современного понимания физико-химических свойств воды заложили около 200 лет назад Генри Кавендиш и Антуан Лавуазье, обнаружившие, что вода – это не простой химический элемент, как считали средневековые алхимики, а соединение кислорода и водорода в определенном отношении. (см. рис. 3)

Собственно и название свое водород (hydrogene) – рождающий воду – получил только после этого открытия, и вода приобрела современное химическое обозначение, известное теперь каждому школьнику, – H2O.

2.1. Вода эталон для измерения температуры, массы, количества тепла и высоты

Шведский физик Андерс Цельсий, (см. рис. 4) член Стокгольмской академии наук, создал в 1742 году стоградусную шкалу термометра, которой в настоящее время пользуются почти повсеместно. Точка кипения воды обозначена 100° , а точка таяния льда 0°. (см. рис. 5 )

При разработке метрической системы, установленной по декрету французского революционного правительства в 1793 году взамен различных старинных мер, вода была использована для создания основной меры массы (веса) – килограмма и грамма: 1 грамм, как известно, это вес 1 кубического сантиметра (миллилитра) чистой воды при температуре её наибольшей плотности + 40С. Следовательно, 1 килограмм – это вес 1 литра (1000 кубических сантиметров) или 1 кубического дециметра воды: а 1 тонна (1000 килограммов) – это вес 1 кубического метра воды. (см. рис. 6)

Вода используется и для измерения количества тепла. Одна калория – это количество тепла, нужное для нагревания 1 грамма воды с 14, 5° до 15,50 С. (см. рис. 7)

Все высоты и глубины на земном шаре отсчитываются от уровня моря. (см. рис. 8)

2.2 Три состояния воды

Несмотря на многовековую историю изучения, простейший химический состав и исключительную важность для жизни на Земле, природа воды таит в себе много загадок. Только воду мы можем увидеть сразу в трёх её состояниях. (см. рис. 9) Когда ударят сильные морозы можно наблюдать, как над поверхностью воды озера или реки поднимается пар, а у берега уже образовалась корочка льда.

Весьма редкое свойство воды проявляется при ее превращении из жидкого состояния в твердое. Этот переход связан с увеличением объема, а следовательно, с уменьшением плотности. Затвердевая, вода становится менее плотной - поэтому лед плавает, а не тонет. Лед тем самым защищает лежащие ниже слои воды от дальнейшего охлаждения и замерзания.

Кроме того установлено, что наибольшей плотностью вода обладает при температуре +4°C. При охлаждении воды в водоеме более тяжелые верхние слои тонут, в результате чего происходит хорошее перемешивание теплой, более легкой глубинной воды с поверхностной.

Поэтому водоёмы не промерзают до дна и жизнь в воде продолжается. Уникальные свойства воды проявляются и при нагреве. Чрезвычайно высока ее теплота парообразования. Например, чтобы испарить 1 грамм воды, нагретой до 100 °С, требуется в 6 раз больше тепла, чем для нагрева того же количества воды от 0 до 80 °С.

2.3 «Сверхохлажденная» вода

Все знают, что вода всегда превращается в лед при охлаждении ее до нуля градусов по Цельсию…за исключением тех случаев, когда этого не происходит! «Сверхохлаждение» – это склонность воды оставаться жидкой, даже будучи охлажденной до температуры ниже точки замерзания.

Это явление становится возможным благодаря тому, что окружающая среда не содержит центров или ядер кристаллизации, которые могли бы спровоцировать образование кристаллов льда. Именно поэтому вода остается в жидкой форме, даже будучи охлажденной до температуры ниже нуля градусов по Цельсию.

Когда процесс кристаллизации запускается, можно наблюдать, как «сверхохлажденная» вода в одно мгновение превращается в лед. Но при любых обстоятельствах при температуре —38 °C самая сверхохлажденная вода внезапно превратится в лед.

А что же произойдет при дальнейшем понижении температуры? При —120 °C лед становится тягучим, как патока, а при —135 °C и ниже он превращается в «стеклянную» или «стекловидную» воду – твердое вещество с отсутствием кристаллов.

2.4 «Эффект Мпемба»

В 1963 году ученик старших классов Эрасто Б. Мпемба (см. рис. 10) заметил, что горячая вода застывает в морозильной камере быстрее, чем холодная. Учитель физики, с которым юноша поделился открытием, поднял его на смех.

К счастью, ученик оказался настырным и убедил учителя провести эксперимент, который и подтвердил его правоту. Теперь феномен горячей воды, замерзающей быстрее холодной, носит название «эффект Мпемба». Ученые так до конца и не понимают природу этого явления.

2.5 Изменение свойств льда при воздействии давлением

Ещё одно интересное свойство воды: увеличение давления приводит к плавлению льда. Это можно наблюдать на практике, например скольжение коньков на льду. Площадь лезвия конька невелика, поэтому давление на единицу площади большое и лед под коньком подплавляется.

Интересно, что если над водой создать высокое давление и затем ее охладить до замерзания, то образующийся лед в условиях повышенного давления плавится не при 0°C, а при более высокой температуре. Так, лед, полученный при замерзании воды, которая находится под давлением 20000 атм., в обычных условиях плавится только при 80°C.

Кроме того вода практически не сжимается, этим определяется объём и упругость клеток и тканей. Так, именно гидростатический скелет поддерживает форму у круглых червей и медуз.

2.6 Теплоемкость воды

Под удельной теплоемкостью понимается то количество теплоты, которое может нагреть 1 г массы вещества на 1 °. Это количество теплоты измеряется калориями. Вода воспринимает при 14—15° большее количество теплоты, чем другие вещества; например, количество тепла, необходимое для нагрева 1 кг воды на 1°, может нагреть на 1° 8 кг железа или 33 кг ртути.

Вода обладает огромной теплоемкостью и не случайно именно она используется в качестве теплоносителя в системах отопления. По этой же причине воду используют и в качестве отличного охладителя.

Большая теплоемкость воды защищает ткани организмов от быстрого и сильного повышения температуры. Многие организмы охлаждаются, испаряя воду.

2.7 Теплопроводность воды

Под теплопроводностьюпонимается способность различных тел проводить теплоту во все стороны от точки приложения нагретого предмета. У воды очень большая теплопроводность и это обеспечивает равномерное распределение тепла по организму человека и теплокровных животных.

2.8 Поверхностное натяжение воды

Одним из очень важных свойств воды является поверхностное натяжение. Оно определяет силу сцепления между молекулами воды, а также геометрическую форму её поверхности. Например, из-за сил поверхностного натяжения в разных случаях формируется капля, лужица, струя и т.д.

Существуют целые виды насекомых, которые передвигаются по глади воды именно благодаря поверхностному натяжению. Наиболее известны водомерки, которые опираются на воду кончиками лап. Сама же лапка покрыта водоотталкивающим налетом. Поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, но за счет силы поверхностного натяжения водомерка остается на поверхности.

К вызываемым поверхностным натяжением эффектам мы настолько привыкли, что не замечаем их, если не развлекаемся пусканием мыльных пузырей. Однако в природе и нашей жизни они играют немалую роль.

Необычно высокое поверхностное натяжение воды обусловило ее хорошую способность смачивать поверхности твердых тел и проявлять капиллярные свойства, что дает ей способность подниматься вверх по порам и трещинам пород и материалов вопреки земному притяжению. Именно это свойство воды обеспечивает движение растворов питательных веществ из корня в стебель, листья, цветы и плоды растений.

2.9 Вода универсальный растворитель

Мы смотрим на горный источник и думаем: «Вот по-настоящему чистая вода!» Однако это не так: идеально чистой воды в природе не бывает. Дело в том, что вода является практически универсальным растворителем.

В ней растворены: азот, кислород, аргон, углекислый газ – и другие примеси, находящиеся в воздухе. Особенно ярко свойства растворителя проявляются в морской воде. Принято считать, что в водах Мирового океана могут быть растворены практически все элементы таблицы периодической системы элементов, в том числе редкие и радиоактивные.

Больше всего в ней содержится натрия, хлора, серы, магния, калия, кальция, углерода, брома, бора и стронция.Одного только золота растворено в Мировом океане по 3 кг на каждого жителя Земли!

Различают гидрофобные (от греческогогидрос – влажный и фобос – страх) вещества, плохо растворимые в воде, такие как каучук, жиры и тому подобное. А также, гидрофильные (от греческого филиа – дружба, склонность) вещества, те которые хорошо растворяются в воде, такие как щелочи, соли и кислоты.

Наличие жира не позволяет человеческому организму раствориться в воде, так как клетки организма имеют специальные мембраны, содержащие определенные жировые компоненты, благодаря этому вода не только не растворяет наше тело, но и способствует его жизнедеятельности.