Аномалии свойств воды. Open Library - открытая библиотека учебной информации

Вода - самое удивительное и самое загадочное вещество на Земле. Она играет важнейшую роль во всех жизненных процессах и явлений, происходящих на нашей планете и за ее пределами. Именно поэтому, древние философы рассматривали воду (hydor) в качестве важнейшей составляющей части материи.

Современная наука утвердила роль воды как универсального, планетарного компонента, определяющего структуру и свойства бесчисленного множества объектов живой и неживой природы.

Развитие молекулярных и структурно-химических представлений позволило дать объяснение исключительной способности молекул воды образовывать связи с молекулами почти всех веществ.

Стала проясняться также роль связанной воды в формировании важнейших физических свойств гидратированных органических и неорганических веществ. Большой и все возрастающий научный ин­терес привлекает проблема биологической роли воды.

Заселенная живыми организмами наружная оболочка нашей пла­неты – биосфера является вместилищем жизни на Земле. Её первоосновой, ее незаменимым компонентом является вода. Вода - это и строительный материал, который используется для создания всего живого, и среда, в которой протекают все жизненные процессы, и растворитель, выносящий из орга­низма вредные для него вещества, и уникальный транспорт, снабжающий биологические структуры всем необходимым для нормального протекания в них сложнейших физико-химических процессов. И это всеобъемлющее влияние воды на любую живую структуру может быть не только по­ложительным, но и отрицательным. В зависимости от своего состояния вода может быть как созидателем цветущей жизни, так и ее разрушителем, могильщиком - всё зависит от ее химического и изотопного сос­тава, структурных, биоэнергетических свойств. Не случайно академик И. В. Петрянов сказал: "Вода - это подлинное чудо природы!".

Аномальные свойства воды были открыты учеными в результате длительных и трудоемких исследований. Эти свойства столь привычны и естественны в обыденной нашей жизни, что обычный человек даже не подозревает об их существовании. А вместе с тем вода - вечная спутница жизни на Земле действительно оригинальна и неповторима.

Аномальные свойства воды свидетельствуют о том, что молекулы Н 2 О в воде довольно прочно связаны между собой и образуют характерную молекулярную конструкцию, которая сопротивляется любым разрушающим воздействиям, например, тепловым, механическим, электрическим. По этой причине, например, необходимо затратить много тепла, чтобы превратить воду в пар. Эта особенность объясняет сравнительно высокую удельную теплоту испарения воды. Становится понятным, что структура воды, характерные связи между молекулами воды, лежат в основе особых свойств воды. Американские ученые У. Латимер и У. Родебуш предложили в 1920 г. эти особые связи называть водородными и с этого времени представление об этом типе связи между молекулами навсегда вошло в теорию химической связи. Не вдаваясь в подробности, отметим только, что происхождение водородной связи обусловлено квантово-механическиими особенностями взаимодействия протона с атомами.

Однако наличие водородной связи у воды - это всего лишь необходимое, но не достаточное условие для объяснения необычных свойств воды. Самым важным обстоятельством, объясняющим основные свойства воды, является структура жидкой воды как целостной системы.

Рис. Образование водородной связи

Еще в 1916 г. были разработаны принципиально новые представления о строении жидкости. Впервые с помощью рентгеноструктурного анализа показано, что в жидкостях наблюдается определенная регулярность расположения молекул или иначе - наблюдается ближний порядок расположения молекул. Первые ренгеноструктурные исследования воды провели нидерландские ученые в 1922 году В. Кеез и Дж. де Смедт. Ими было показано, что для жидкой воды характерна упорядоченное размещение молекул воды, т.е. вода имеет определённую регулярную структуру.

Действительно, структура воды в живом организме во многом напоминает структуру кристаллической решетки льда. И именно этим объясняются сейчас уникальные свойства талой воды, долгое время сохраняющей структуру льда. Талая вода гораздо легче обычной вступает в реакцию с различными веществами, и организму не надо тратить добавочную энергию на перестройку ее структуры.

Каждая молекула воды в кристаллической структуре льда участвует в 4 водородных связях, направленных к вершинам тетраэдра. В центре этого тетраэдра находится атом кислорода, в двух вершинах - по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей. При взаимодействии протона одной молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы возникает водородная связь, менее сильная, чем связь внутримолекулярная, но достаточно могущественная, чтобы удерживать рядом соседние молекулы воды. Каждая молекула может одновременно образовывать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, равными 109°28", направленных к вершинам тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру (при этом в структурах льда I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр правильный).

Рис. Кристаллическая структура льда

Известно, что биологические ткани на 70-90% состоят из воды. Это позволяет предполагать, что многие физиологические явления могут отображать молекулярные особенности не только растворенного вещества, но в равной степени и растворителя - воды. Подобного рода соображения, высказываемые такими крупными современными учеными, как Сент-Дьерди, Поллинг, Клотц и другие, вызвали новую волну повышенного интереса к вопросам структуры и состояния воды в различных системах.

Первую теорию о структуре воды выдвинули английские исследователи Дж.Бернал и Фаулер. Они создали концепцию о тетраэдрической структуре воды.

В августовском номере 1933 г. только что созданного международного журнала по химической физике "Journal of Chemical Physics” была опубликована их классическая работа о структуре молекулы воды и ее взаимодействии с себе подобными молекулами и ионами разных сортов.

Рис. Тетраэдрическая структура воды

В своей научной интуиции Дж. Бернал и Р. Фаулер опирались на обширный материал накопленных экспериментальных и теоретических данных в области изучения строения молекулы воды, структуры льда, строения простых жидкостей, на данные ренгеноструктурного анализа воды и водных растворов. Прежде всего они определили роль водородных связей в воде. Было известно, что в воде есть ковалентные и водородные связи. Ковалентные связи не рвутся при фазовых переходах воды: вода-пар-лед. Лишь электролиз, нагревание воды на железе и т.п. разрывает ковалентные связи воды. Водородные связи в 24 раза слабее ковалентных. При таянии льда, снега, водородные связи в образующейся воде частично сохраняются, в паре воды они все разорваны.

Рис . При таянии льда водородные периодически разрушаются и образуются снова. Время перескока составляет 10 -12 секунд.

Попытки представить воду как ассоциированную жидкость с плотной упаковкой молекул воды, подобно шарикам какой-либо емкости, не соответствовали элементарным фактическим данным. В этом случае удельная плотность воды должна была бы быть не 1 г/см 3 , а более 1,8 г/см 3 .

Второе важное доказательство в пользу особой структуры молекулы воды состояла в том, что в отличие от других жидкостей вода - это было уже известно - обладает сильным электрическим моментом, составляюющим ее дипольную структуру. Поэтому нельзя было представить наличие весьма сильного электрического момента молекулы воды в симметрической конструкции двух атомов водорода относительно атома кислорода, расположив все входящие в нее атомы по прямой линии, т.е. Н-О-Н.

Экспериментальные данные, а также математические расчеты окончательно убедили английских ученых в том, что молекула воды "однобока" и имеет "угловую" конструкцию, а оба атома водорода должны быть смещены в одну сторону относительно атома кислорода на угол 104,5 0:

Рис . справа - Строение молекулы воды

Именно поэтому модель воды Бернала-Фаулера - трехструктурная, с наличием нескольких раздельных типов структур. Согласно этой модели, структура воды определяется структурой ее отдельных молекул.

В дальнейшем была развита идея считать жидкую воду псевдокристаллом, согласно которой вода в жидком состоянии представляет собой как бы смесь трех компонент с различными структурами (структура льда, кристаллического кварца и плотно упакованная структура обычной воды).

Вода - это ажурный псевдокристалл, в котором отдельные тетраэдрические молекулы H 2 О связаны друг с другом направленными водородными связями, образуя гексагональные структуры как в структуре льда.

Рис. Вода как псевдокристалл

В дальнейшем модель воды Бернала-Фаулера была уточнена и пересмотрена. На ее основе возникли более 20 моделей структуры воды, которые можно разделить на 5 групп; 1) непрерывные, 2) смешанные модели структуры воды (двухи трехструктурные), 3) модели с заполнением пустот, 4) кластерные и 5) модели ассоциатов.

Непрерывные модели структуры воды постулируют, что вода - это единая тетраэдрическая сеть водородных связей между отдельными молекулами воды, которые искривляются при плавлении льда.

Рис. Непрерывная модель воды

Смешанные модели: вода - это смесь двух или трех структур, например, одиночных молекул, их ассоциатов различной сложности – кластеров.

Дальнейшее усовершенствование этой модели привело к созданию модели с заполнением пустот (включая клатратные модели) и к кластерным моделям. Причём кластеры могут содержать боле несколько сот молекул Н 2 О и подобно мерцающим скоплениям непрерырвно возникают и разрушаются вследствие местных флуктуаций плотности.

Широко известна кластерная модель структуры воды А.Фрэнка и В.Вена, усовершенствованная Г. Немети-Г. Шерагой (1962). По этой модели, в жидкой воде, наряду с мономерными молекулами имеются кластеры, рои молекул Н 2 О, объединенных водородными связями со временем жизни 10 -10 – 10 -11 сек. Они разрушаются и создаются вновь.

Практически все кластерные гипотезы воды основываются на том, что жидкая вода состоит из сети из 4-кратно связанных молекул Н 2 О и мономеров, которые заполняют пространство между кластерами. На граничных поверхностях кластеров имеются 1, 2или 3-х кратно связанные молекулы. Еще данную модель называют моделью "мерцающих скоплений". По С. Зенину, кластеры и ассоциаты являются основой структурной памяти воды - долговременной (стабильные) и кратковременной (лабильные, неустойчивые ассоциаты).

В настоящее время известно большое число гипотез и моделей структуры воды. Некоторые исследователи говорят о наличии в воде 10 различных структур воды с неодинаковыми кристаллическими решетками, различной плотностью и температурой плавления.

Профессор И.З. Фишер в 1961 г. ввел понятие о том, что структура воды зависит от временного интервала, в течение которого ее определяют. Он различал три вида структуры воды.

1. Мгновенная структура (время измерения t

2. Структура воды средних отрезков времени, когда t д < t > to. 1 и 2 структуры общие со структурой льда. Эта структура существует больше времени осциляции, но меньше времени диффузии t д.

3. Структура, характерная для более длительных отрезков времени (>t д), когда молекула H 2 О передвигается на большие расстояния.

Д. Эзенберг и В. Каутсман связали названия этих трех структур воды с видами движения ее молекул, 1-ю структуру они назвали І-структурой (от английского instantenous – мгновенный), 2-ю - V-структурой (от английского vibrational- вибрационный), 3-ю - D-структурой (от английского diffusion – диффузионный).

Рентгеноструктурное исследование кристаллов воды, проведенное Морганом и Уорреном, показало, что воде свойственна структура, подобная структуре льда. В воде, также как и во льду, каждый атом кислорода окружен как в тетраэдре другими атомами кислорода. Расстояние между соседними молекулами неодинаково. При 25°С каждая молекула воды в каркасе имеет одного соседа на расстоянии 2,77 Å и трех - на расстоянии 2,94 Å, в среднем - 2,90 Å. Среднее между ближайшими соседями молекулы воды примерно на 5,5% больше, чем между молекулами льда. Остальные молекулы находятся на расстояниях, промежуточных между первыми и вторыми соседними дистанциями. Расстояние 4,1 Å - это расстояние между атомами О-Н в молекуле Н 2 О.

По современным представлениям, такая структура в значительной мере определяется водородными связями, которые, объединяя каждую молекулу с ее четырьмя соседями, образуют весьма ажурную "тридимитоподобную" структуру с пустотами, превосходящими по размерам сами молекулы. Основное отличие структуры жидкой воды от льда - это более размытое расположение атомов в решетке, нарушение дальнего порядка. Тепловые колебания приводят к изгибу и разрыву водородных связей. Сошедшие с равновесных положений молекулы воды попадают в соседние пустоты структуры и на некоторое время задерживаются там, так как пустотам соответствуют относительные минимумы потенциальной энергии. Это ведет к увеличению координационного числа и к образованию дефектов решетки, наличие которых обусловливает аномальные свойства воды. Координационное число молекул (число ближайших соседей) меняется от 4,4 при 1,5 °С до 4,9 при 83 °С.

Согласно гипотезе нашего учёного соотечественника С.В. Зенина вода представляет собой иерархию правильных объемных структур "ассоциатов" (clathrates), в основе которых лежит кристаллоподобный "квант воды", состоящий из 57 ее молекул, которые взаимодействуют друг с другом за счет свободных водородных связей. При этом 57 молекул воды (квантов), образуют структуру, напоминающую тетраэдр. Тетраэдр в свою очередь состоит из 4 додекаэдров (правильных 12-гранников). 16 квантов образуют структурный элемент, состоящий из 912 молекул воды. Вода на 80% состоит из таких элементов, 15% - кванты-тетраэдры и 3% - классические молекулы Н 2 О. Таким образом, структура воды связана с так называемыми платоновыми телами (тетраэдр, додекаэдр), форма которых связана с золотой пропорцией. Ядро кислорода также имеет форму платонова тела (тетраэдра).

Элементарной ячейкой воды являются тетраэдры, содержащие связанные между собой водородными связями четыре (простой тетраэдр) или пять молекул Н 2 О (объемно-центрированный тетраэдр).

При этом у каждой из молекул воды в простых тетраэдрах сохраняется способность образовывать водородные связи. За счет их простые тетраэдры могут объединяться между собой вершинами, ребрами или гранями, образуя различные кластеры со сложной структурой, например, в форме додекаэдра.

Ри с. Возможные кластеры воды

Объединяясь друг с другом, кластеры могут образовывать более сложные структуры:

Рис. Более сложные ассоциаты кластеров воды

Рис. Формирование стабильного кластера воды из 20 отдельных молекул воды (рисунок ниже)

Профессор Мартин Чаплин рассчитал и предположил иную модель воды, в основе которой лежит икосаэдр.

Рис. Формирование икосаэдра воды

Рис. Гигантский икосаэдр воды

РИСУНКИ НИЖЕ СПРАВА

Согласно этой модели вода состоит из 1820 молекул воды - это в два раза больше, чем в модели Зенина. Гигантский икосаэдр в свою очередь состоит из 13 более мелких структурных элементов. Причем, так же как и у Зенина, структура гигантского ассоциата базируется на более мелких образованиях.

Таким образом, сейчас это является очевидным фактом, что в воде возникают ассоциаты воды, которые несут в себе очень большую энергию и информацию крайне высокой плотности.

Порядковое число таких структур воды так же высоко, как и порядковое число кристаллов (структура с максимально высоким упорядочением, которую мы только знаем), потому их также называют «жидкими кристаллами» или «кристаллической водой». Такая структура энергетически выгодна и разрушается с освобождением свободных молекул воды лишь при высоких концентрациях спиртов и подобных им растворителей [Зенин, 1994].

Кванты воды" могут взаимодействовать друг с другом за счет свободных водородных связей, торчащих наружу из вершин “кванта” своими гранями. При этом возможно образование уже двух типов структур второго порядка. Их взаимодействие друг с другом приводит к появлению структур высшего порядка. Последние состоят из 912 молекул воды, которые по модели Зенина практически не способны к взаимодействию за счет образования водородных связей. Этим и объясняется, например, высокая текучесть жидкости, состоящей из громадных полимеров. Таким образом, водная среда представляет собой как бы иерархически организованный жидкий кристалл.

Изменение положения одного структурного элемента в этом кристалле под действием любого внешнего фактора или изменение ориентации окружающих элементов под влиянием добавляемых веществ обеспечивает, согласно гипотезе Зенина, высокую чувствительность информационной системы воды. Если степень возмущения структурных элементов недостаточна для перестройки всей структуры воды в данном объеме, то после снятия возмущения система через 30-40 мин возвращается в исходное состояние. Если же перекодирование, т. е. переход к другому взаимному расположению структурных элементов воды оказывается энергетически выгодным, то в новом состоянии отражается кодирующее действие вызвавшего эту перестройку вещества [Зенин, 1994]. Такая модель позволяет Зенину объясненить "память воды" и ее информационные свойства [Зенин, 1997].

Кроме того, структурированное состояние воды оказалось чувствительным датчиком различных полей. С. Зенин считает, что мозг, сам состоящий на 90% из воды, может, тем не менее, изменять её структуру.

Рис. Отдельный кластер воды (компъютерное моделирование)

Кластерная модель воды объясняет её многие аномальные свойства.

Первое аномальное свойство воды – аномалия точек кипения и замерзания : Если бы вода - гидрид кислорода – Н 2 О была бы нормальным мономолекулярным соединением, таким, например, как ее аналоги по шестой группе Периодической системы элементов Д.И. Менделеева гидрид серы Н 2 S, гидрид селена Н 2 Se, гидрид теллура Н 2 Те, то в жидком состоянии вода существовала бы в диапазоне от минус 90 0 С до минус 70 0 С.

Рис. Аномалии точек кипения и замерзания воды по сравнению с другими соединениями водорода.

При таких свойствах во­ды жизни на Земле не существовало бы. Но к счастью для нас, и для всего живого на свете, вода аномальна. Она не признает периодических закономер­ностей, характерных для бесчисленного множества соединений на Земле и в космосе, а следует своим, еще не вполне понятным для науки законам, подарившим нам удивительный мир жизни.

"Ненормальные" температуры плавления и кипения воды далеко не единственная аномальность воды. Для всей биосферы исключительно важной особенностью воды является ее способность при замерзании увеличивать, а не уменьшать свой объем, т.е. уменьшать плотность. Это вторая аномалия воды, которая именуется аномалией плотности . На это особое свойство воды впервые обратил внимание еще Г. Галилей. При переходе любой жидкости (кроме галлия и висмута) в твердое состояние молекулы располагаются теснее, а само вещество, уменьшаясь в объеме, становится плотнее. Любой жидкости, но не воды. Вода и здесь представляет собой исключение. При охлаждении вода сначала ведет себя как и другие жидкости: постепенно уплотняясь, она уменьшает свой объем. Такое явление можно наблюдать до +4°С (точнее до +3,98°С).

Рис. Зависимосгь удельного объема льда и воды от тем­пературы. Рис. Температурная зависимость удельной теплоемкости воды.

Именно при температуре +3,98°С вода имеет наибольшую плотность и наименьший объем. Дальнейшее охлажде­ние воды постепенно приводит уже не к уменьшению, а к увеличению объема. Плавность этого процесса вдруг прерывается и при 0°С происходит резкий скачок увеличения объема почти на 10%! В это мгновение вода превращается в лед.

Уникальная особенность поведения воды при охлаждении и обра­зовании льда играет исключительно важную роль в природе и жизни. Именно эта особенность воды предохраняет от сплошного промерзания в зимний период все водоемы земли - реки, озера, моря и тем самым спасает жизнь.

В отличие от пресной воды морская вода при охлаждении ведет себя иначе. Замерзает она не при 0°С, а при минус 1,8-2,1°С - в зависимости от концентрации растворенных в ней солей. Имеет макси­мальную плотность не при + 4°С, а при -3,5°С. Таким образом она превращается в лед, не достигая наибольшей плотности. Если вертикальное перемешивание в пресных водоемах прекращается при охлажде­нии всей массы воды до +4°С, то в морской воде вертикальная цирку­ляция происходит даже при температуре ниже 0°С. Процесс обмена между верхними и нижними слоями идет непрерывно, создавая благо­приятные условия для развития животных и растительных организмов.

Особенно благоприятной средой для обитателей морей и океанов являются талые воды, образующиеся при таянии ледников и айсбергов. В безбрежных просторах океанов плавающие горы-айсберги в основном скрыты под водой, однако могут представлять серьезную опасность для судоходства. Трагедией века была названа гибель "Титаника", которая прои­зошла в результате столкновения суперлайнера с огромным айсбергом 14 апреля 1912 года.

Все термодинамические свойства воды заметно или резко отличаются от других веществ.

Наиболее важная из них – аномалия удельной теплоемкости . Аномально высокая теплоемкость воды делает моря и океаны ги­гантским регулятором температуры нашей планеты, в результате чего не происходит резкого перепада температур зимой и летом, днем и ночью. Континенты, расположенные вблизи морей и океанов, обладают мягким климатом, где перепады температуры в различные времена года бывают незначительными.

Мощные атмосферные потоки, содержащие огромное количество теплоты, поглощенное в процессе парообразования, гигантские океа­нические течения играют исключительную роль в создании погоды на нашей планете.

Аномалия теплоёмкости заключается в следующем: При нагревании любого вещества теплоемкость неизменно повыша­ется. Да, любого вещества, но не воды. Вода - исключение, она и здесь не упускает возможности быть оригинальной: с повышением тем­пературы изменение теплоемкости воды аномально; от 0 до 37°С она понижается и только от 37 до 100°С теплоемкость все время растет.

В пределах температур, близких к 37°С, теплоемкость воды минимальна. Именно эти температуры - область температур человечес­кого тела, область нашей жизни. Физика во­ды в области температур 35-41°С (пределы возможных, нормально проте­кающих физиологических процессов в организме человека) констатиру­ет вероятность достижения уникального состояния воды, когда массы квазикристаллической www.aquaberd.nm.ru/data/books/voda-i-zdorovye.htm-ftn2 и объемной воды равны друг другу и способ­ность одной структуры переходить в другую - вариабельность - максимальная. Это замечательное свойство воды предопределяет равную вероят­ность течения обратимых и необратимых биохимических реакций в орга­низме человека и обеспечивает "легкое управление" ими.

Другим общеизвестна исключительная способность воды растворять лю­бые вещества. И здесь вода демонстрирует необычные для жидкости аномалии, и в первую очередь аномалии диэлектрической постоянной воды . Это связано с тем, что ее диэлектрическая постоянная (или диэ­лектрическая проницаемость) очень велика и составляет 81, в то время как для других жидкостей она не превышает 10. В соответствии с законом Кулона сила взаимодействия двух заряженных частиц в во­де будет в 81 раз меньше, чем, например, в воздухе, где эта характеристика равна единице. В этом случае прочность внутримолекулярных связей уменьшается в 81 раз и под действием теплового движения молекулы диссоциируют с образованием ионов. Необходимо отметить, что из-за исключительной способности растворять другие вещества вода никогда не бывает идеально чистой.

Следует упомянуть еще об одном удивительной аномалии воды - исключительно высоком поверхностном натяжении . Из всех известных жидкостей только ртуть имеет более высокое поверхностное натяжение. Это свойство проявляется в том, что вода всегда стремится сократить свою поверхность.

Нескомпенсированные межмолекулярные силы наружного (поверхно­стного) слоя воды, вызванные квантовомеханическими причинами, соз­дают внешнюю упругую пленку. Благодаря пленке многие предметы, бу­дучи тяжелее воды, не погружаются в воду. Если, например, сталь­ную иголку осторожно положить на поверхность воды, то иголка не тонет. А ведь удельный вес стали почти в восемь раз больше удельно­го веса воды. Всем известна форма капли воды. Высокое поверхност­ное натяжение позволяет воде иметь шарообразную форму при свобод­ном падении.

Поверхностное натяжение и смачивание являются основой особого свойств воды и водных растворов, названного капиллярностью. Капил­лярность имеет огромное значение для жизни растительного, животного мира, формирования структур природных минералов и плодородия зем­ли. В каналах, которые во много раз уже человеческого волоса, вода приобретает удивительные свойства. Она становится более вязкой, уплотняется в 1,5 раза, а замерзает при минус 80-70°С.

Причиной сверханомальности капиллярной воды являются межмолекулярные взаимодействия, тайны которых еще далеко не раскрыты.

Ученым и специалистам известна так называемая поровая вода . В виде тончайшей пленки она устилает поверхность пор и микрополос­тей пород и минералов земной коры и других объектов живой и нежи­вой природы.

Связанная межмолекулярными силами с поверхностью других тел, эта вода, как и капиллярная вода, обладает особой структурой.

Таким образом, аномальные и специфические свойства воды играют ключевую роль в ее многообразном взаимодействии с живой и неживой природой. Все эти необычные особен­ности свойств воды настолько "удачны" для всего живого, что делает воду незаменимой основой существования жизни на Земле.

К. х. н. О. В. Мосин

Литературные источники

Белая М.Л., Левадный В.Г. Молекулярная структура воды. М.: Знание 1987. – 46 с.

Бернал Дж. Д. Геометрия построек из молекул воды. Успехи химии, 1956, т. 25, с. 643-660.

Бульенков Н.А. О возможной роли гидратации как ведущего интеграционного фактора в организации биосистем на разных уровнях их иерархии. Биофизика, 1991, т.36, в.2, с.181-243.

Зацепина Т.Н. Свойства и структура воды. М.: изд-во МГУ, 1974, - 280 с.

Наберухин Ю.И. Структурные модели жидкости. М.: Наука. 1981 – 185 с.

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.

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 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.

Люди привыкли к воде и считают ее обычным веществом. Они часто воспринимают ее как нечто само собой разумеющееся до тех пор, пока засуха не начнет угрожать посевам и запасам питьевой воды, или сильное наводнение не создаст угрозу жизни и имуществу. Многие не осознают, что структура воды и ее аномальные свойства обеспечивают существование жизни на Земле.

Один из ранних греческих философов, Фалес Милетский (640-546 гг. до н. э.), исследовал универсальный характер воды. Он считал ее основным элементом, из которого рождается все. Обилие воды было очевидным, но Фалес заметил, что она является единственным веществом, естественным образом присутствующим на Земле одновременно в трех разных состояниях: твердом, жидком и газообразном. В холодный зимний день снег и лед покрывают поля, рядом течет река, а над головой плывут облака.

Формы материи

Все вещества существуют в трех различных состояниях, которые зависят от температуры и давления. Твердые тела обладают определенной формой и имеют кристаллическую внутреннюю структуру. По этому определению вещество, подобное стеклу, будет считаться высоковязкой жидкостью, поскольку оно не обладает кристаллическим строением. Твердые тела склонны противостоять внешним воздействием. Они могут быть преобразованы в жидкость путем нагрева. Температура замерзания воды при давлении в 1 атмосферу равна 0 °С, ниже которой она существует в виде льда.

Жидкость, в отличие от твердого тела, не обладает твердостью и не имеет определенной формы. У нее есть объем, и она принимает форму сосуда, в котором хранится. Внешнее воздействие вынуждает ее течь. Вода представляет собой жидкость между температурами замерзания и кипения (100 °С). Жидкости могут переходить в газообразную фазу при нагреве выше точки кипения.

Газ не имеет ни формы, ни определенного объема. Он принимает форму и занимает объем сосуда, в котором находится. Газ расширяется и сжимается с изменением температуры и давления и способен легко диффундировать в другие газы.

Точки кипения и замерзания

Аномальными свойствами воды являются ее необычно высокие температуры кипения и замерзания по сравнению с другими соединениями с аналогичной молекулярной структурой. Другие подобные вещества в обычных условиях являются газами. Ожидается, что вода с ее более низкой молекулярной массой, чем аналогичные соединения, должна иметь более низкие температуры кипения и замерзания. Однако из-за полярной природы ее молекулы и водородных связей температура ее кипения равна 100 °C, а замерзания - 0 °C. Для сравнения, соответствующие значения у сероводорода H 2 S равны -60 °C и -84 °C, у селеноводорода H 2 Se этот показатель составляет -42 °C и -64 °C и у теллуроводорода -2 °C и -49 °C.

Твердая фаза

Как правило, с понижением температуры вещества становятся более плотными, и вода не является исключением. Ее плотность при 25 °C составляет 0,997 г/мл и увеличивается с до максимальной (1 г/мл) при T = 4 °C. В метрической системе измерения килограмм определяется как масса 1 л воды с максимальной плотностью. Между 4 °C и точкой замерзания 0 °C происходит удивительная вещь, которая наблюдается у очень небольшого числа веществ. Вода постепенно расширяется, становясь менее плотной. Плотность льда при 0 °C составляет около 0,917 г/мл. Молекулы воды образуют кристаллы в форме тетраэдра (четырехсторонней фигуры, каждая грань которой представляет собой равносторонний треугольник). Поскольку плотность твердой фазы меньше, чем жидкой, лед плавает. При замораживании объем воды увеличивается на 1%.

Очень важно, что лед расширяется и плавает на поверхности. Из-за этого зимой лопаются водопроводы и появляются выбоины на дорогах. Замерзание и таяние воды в значительной степени ответственно за разрушение скал и образование почв. Кроме того, если бы озера и потоки замерзали снизу вверх, то водная жизнь вообще перестала бы существовать, а климатические и погодные условия резко изменились.

Теплоемкость

Еще одним аномальным свойством воды является ее чрезвычайно высокая способность поглощать тепло без значительного повышения температуры. Например, летнее солнце на пляже нагревает песок до такой степени, что становится невозможно по нему ходить. Вода при этом остается прохладной. Оба вещества поглощают равное количество тепловой энергии, но температура песка выше. Пустой железный котелок, висящий над огнем, быстро раскалится докрасна, но если он заполнен водой, то его нагрев происходит постепенно. Высокая теплоемкость воды делает ее хорошей охлаждающей жидкостью в конденсаторах и автомобильных радиаторах, предотвращающих двигатели от перегрева. Ее значение в 5 раз превышает теплоемкость песка и примерно в 10 раз - железа.

Умеренный климат в прибрежных районах является результатом поглощения в течение дня огромного количества солнечной тепловой энергии водой и медленного высвобождения ее ночью. Внутренние районы вдали от побережья обычно испытывают гораздо более высокие экстремальные температуры. Огромные океаны на Земле (около 75% площади поверхности) отвечают за смягчение климата на нашей планете, поддерживая существование жизни.

Теплота плавления и испарения

С теплоемкостью связана теплота фазового перехода. Это количество тепловой энергии, поглощаемой или высвобождаемой веществом, которое изменяется в фазе (от жидкого до твердого состояния, или наоборот, и от жидкого до газообразного, или наоборот) без изменения температуры. Необычайно высокие значения удельной теплоты плавления (332,4 кДж/кг) и испарения (2256,2 кДж/кг) - очередные аномальные физические свойства воды. При замерзании выделяется такое же количество тепла, которое поглощается в процессе плавления.

Практическим примером использования удельной теплоты плавления воды является использование льда для охлаждения напитков в изолированном кулере. В процессе таяния лед поглощает тепловую энергию напитков, сохраняя их прохладными. Емкость с водой в теплице в холодную зимнюю ночь смягчит температуру в помещении из-за тепла, выделяемого при замерзании. Конденсация пара высвобождает то же количество тепла, которое поглощается в процессе испарения. Удельная теплота испарения в 5 раз превышает теплоту, необходимую для повышения температуры от 0 до 100 °C. Аномальное свойство воды хранить большое количество накопленной тепловой энергии делает паровое отопление эффективным. В процессе конденсации пар высвобождает накопленную тепловую энергию. Дневная гроза в жаркий летний день - еще один пример высвобождения тепловой энергии в верхних слоях атмосферы при конденсации горячего влажного воздуха. Даже ураган является примером влияния перераспределения огромного количества тепловой энергии, поглощенной тропическими океанами.

Системы испарительного охлаждения работают наоборот. Вода в процессе испарения поглощает тепловую энергию из воздуха, охлаждая его.

Универсальный растворитель

Растворитель способен растворять другое вещество с образованием гомогенной смеси (раствора) на молекулярном уровне. Еще одним аномальным свойством воды в химии благодаря ее полярной природе является ее способность растворять другие полярные соединения - соли, спирты, карбоксильные соединения и т. д. В воде растворяется больше веществ, чем в любом другом растворителе. В ней можно найти более половины известных химических элементов, некоторые в высоких концентрациях, а другие - только в следовых количествах. Например, концентрация насыщения хлорида натрия составляет около 36 г на 100 мл, а карбоната кальция - около 0,0015 г. Способность воды растворять вещество зависит от его химического состава, силы химических связей элементов, температуры и рН.

Неполярные соединения, в том числе большинство углеводородов, растворяются в низких или следовых количествах. Например, масла, как правило, плавают на поверхности воды.

Поверхностное натяжение

К аномальным свойствам воды относят и ее самое высокое (после ртути) поверхностное натяжение по сравнению с любой другой жидкостью. Это сила притяжения молекул, расположенных под поверхностью и тех, которые находятся на границе раздела жидкость-воздух. Она удерживает воду от растекания. Полярные соединения, как правило, имеют гораздо более высокое поверхностное натяжение, чем неполярные. И вода не является исключением. При 20 °С данный показатель равен 0,07286 Н/м (у этилового спирта - 0,0228 Н/м).

Без внешнего воздействия капля H 2 O принимает форму сферы, поскольку эта фигура обладает наименьшей площадью поверхности на единицу объема. Капли дождя являются крошечными пулями, которые при длительном воздействии разрушают горные породы. По этой же причине объекты, более тяжелые, чем вода, могут удерживаться на ее поверхности. Насекомые способны ходить по ней, а лезвие бритвы - плавать.

Водородная связь определяет аномальное свойство воды смачивать большинство поверхностей. Такие вещества считаются гидрофильными. Вода способна подниматься по стенкам стакана и других емкостей. Другие вещества, такие как масла, жиры, воск и синтетика (полипропилен и т. д.), не намокают. Они являются гидрофобными. Мембранные фильтровальные картриджи с размером пор менее 1 мкм изготавливают из гидрофобных полимеров с помощью смачивающих агентов, снижающих поверхностное натяжение воды, чтобы последняя могла проникнуть и оставаться в них. Это явление называется капиллярным эффектом. Он отвечает за движение воды в почве и по корням растений и крови по кровеносным сосудам.

Аномальные свойства воды и их значение для жизни

H 2 O является неотъемлемым компонентом существования всего живого. Это объясняет недавний интерес к обнаружению воды в других частях Вселенной. Все известные биохимические процессы происходят в водной среде. Большинство живых существ содержат 70-80% H 2 O по весу.

Кроме того, вода играет значительную роль в процессе фотосинтеза. Растения используют лучистую энергию солнца для превращения воды и углекислого газа в углеводы: 6CO 2 + 6H 2 O + 672 ккал → C 6 H 12 O 6 + 6O 2 . Фотосинтез - самая основная и важная химическая реакция на Земле. Он поставляет питательные вещества, прямо или косвенно, всем живым организмам и является основным источником атмосферного кислорода.

Аномальные свойства воды и их причины

Способность элементов формировать соединения зависит от способности их атомов отдавать или принимать электроны. Элементы первого типа становятся положительно заряженными ионами (катионами), а второго - отрицательно заряженными анионами.

Способность элемента взаимодействовать с другими элементами для образования соединений называется валентностью. Она соответствует количеству полученных или отданных электронов. Для неорганических соединений алгебраическая сумма валентных чисел элементов равна нулю. Электростатическое притяжение противоположно заряженных ионов с образованием соединения называется ионной связью.

Элементы, которые образуют воду (водород и кислород), существуют отдельно в молекулах H 2 и O 2 , содержащих по два атома. Они удерживаются вместе благодаря обмену электронной парой в химической связи, называемой ковалентной. Она намного сильнее ионной. Два атома, удерживаемые вместе ковалентной связью, образуют намного более устойчивую молекулу, чем ее составные части. В ней водород объединяется кислородом посредством общих электронных пар. Это уникальное распределение электронов в образованном химическом соединении заставляет атомы H располагаться по отношению к O под углом 104,5°.

Аномальные физические свойства воды объясняются ее структурой и химической связью.

Атом кислорода оказывает относительно сильное воздействие на общую пару электронов, в результате чего атомы водорода становятся электроположительными, а атом кислорода - электроотрицательной областью. Поскольку положительно и отрицательно заряженные участки распределены неравномерно по отношению к центральной точке, молекула воды является полярной.

Такая ее природа заставляет ее становиться электростатически привлекательной для других молекул H 2 O, а также ионов и контактных поверхностей с заряженными участками. Электроположительные атомы водорода притягиваются к электроотрицательным атомам кислорода соседних молекул воды. Это явление называется водородной связью. Ее прочность составляет всего около 10% ковалентной, но она отвечает за большинство аномальных физических свойств воды. К ним относятся высокие температуры замерзания и кипения, теплоемкость, удельная теплота плавления и испарения, растворимость и поверхностное натяжение.

Водородная связь отвечает за поддержание целостности молекулы H 2 O во время химических реакций. В то время как другие соединения подвергаются ионизации, сама вода сохраняет свою химическую целостность. Лишь относительно небольшое число молекул ионизируется в водород и гидроксильные ионы. Поэтому H 2 O является относительно плохим проводником электрического тока. Специфическое сопротивление теоретически чистой воды составляет 18,3 МОм∙см, в то время как питьевая имеет удельное сопротивление менее 10 000 Ом∙см. Таким образом можно легко проверить чистоту H 2 O.

Аномальные свойства воды объясняются наличием водородных связей, из-за которых имеет место низкая плотность льда. Вдоль них при замерзании располагаются молекулы, что приводит к расширению вещества. По этой причине лед плавает на поверхности воды. Повышенное давление снижает температуру плавления. Давление, создаваемое лезвием конька, топит лед, создавая слой, обеспечивающий изящное скольжение. Даже при чрезвычайно низких температурах высокое давление ослабляет кристаллическую решетку. Это является причиной того, что огромные ледяные массы, такие как ледники, постепенно движутся.

Дипольный момент

Полярная природа молекулы воды заставляет ее ориентироваться в электрическом или магнитном поле. Электроотрицательный атом кислорода выстраивается к положительному полюсу, а электроположительные атомы водорода - в направлении отрицательного. Вода имеет исключительно большой дипольный момент, представляющий собой произведение расстояния между зарядами, умноженное на величину заряда.

Диэлектрическая проницаемость является еще одним свойством, связанным с дипольным моментом. Молекулы воды путем выравнивания в электрическом поле стремятся нейтрализовать его и создать устойчивость к передаче электростатического заряда. Диэлектрическая проницаемость вещества определяется ε в уравнении F = Q1∙Q2/ε∙r 2 , где F - сила между двумя зарядами Q, разделенная расстоянием r в среде.

По мере увеличения диэлектрической проницаемости сила между зарядами уменьшается. Высокая диэлектрическая постоянная уменьшает силу притяжения ионов, что объясняет аномальные химические свойства воды растворять самые разнообразные вещества.

Заключение

Для людей вода - это обычное вещество, которое часто принимается как должное. Несмотря на то что аномальные свойств воды объясняются на атомном уровне, ее значение действительно велико. Очевидно, что она необходима для существования жизни на Земле. Аномальные свойства воды, кратко говоря, позволяют ей служить медиатором химических и биохимических процессов, формировать нашу природную среду и участвовать в создании климата и погоды.

Одно из объяснений аномалии плотности воды заключается в том, что ей приписывается тенденция к ассоциации ее молекул, которые образуют различные группы [ Н2О, (Н2О) 2, (Н2О) 3 ], удельный объем которых

различен при разных температурах различны и концентрации этих групп, следовательно, различен и их общий удельный объем.

Первое из них означает, что аномалии плотности, возникающие благодаря движению, не создают потока теплачерез нижнюю гращу. На верхней границе плотность задается, а на берегу (х 0) нормальная компонента горизонтального потока тепла считается равной нулю. Скорости и и и на берегу должны обращаться в нуль в силу условий непротекания и прилипания. Приближение гидростатики, однако так сильно упрощает динамику, что условие прилипания для и; не может быть выполнено.

Для третичных и вторичных спиртов характерна аномалия плотности паров при высоких температурах (определение по В. Третичные спирты (до Cj2) дают при температуре кипения нафталина (218е) лишь половинное значение молекулярного веса, вследствие их разложения на воду и алкилены; вторичные спирты (до С9) проявляют такую же аномалию, но.

Положительный знак работы приходится относить за счет аномалии плотности воды.

Если, как утверждает Гребе а, работы Сент-Клер Девиля способствовали, с одной стороны, объяснению замеченных аномалий плотностей паров и тем самым, хотя и косвенно, подтверждали теорию Авогадро, то, с другой

стороны, эти работы послужили стимулом для изучения химического сродства, поскольку способствовали выяснению природы определенных реакций.

Для воды уравнение (64) дает правильные результаты до температуры 4, так как она, как известно, имеет аномалию плотности. При 4 плотность воды наибольшая, ниже 4 наблюдается сложное распределение плотности, не учитываемое этим уравнением.

В силу (8.3.56) параметр X является мерой отношения (L / LH) 2 и неравенство (8.3.19 а) означает просто, что аномалии плотности, создаваемые даижением, перемешиваются на масштабе, малом по сравнению с L.

При наличии основной стратификации положительный ротор касательного напряжения ветра и связанное с ним вертикальное движение во внутренней области создают во всей этой области положительную аномалию плотности, к которой добавляется аномалия плотности из-за притока тепла на поверхности.

Если связи внутри полиэдров много сильнее, чем между полиэдрами, то только эти последние будут разупорядочены в расплаве, так что в расплаве будут существовать единицы в виде полиэдров. Некоторые аномалии плотности в жидких сплавах А1 - Fe, видимо, поддерживают эту гипотезу.

Формулировка задачи на устойчивость такого основного состояния будет дана для случая зонального течения в атмосфере. Случай океана может рассматриваться как частный случай задачи для атмосферы во всем, что касается формулировки проблемы и получается простой заменой стандартного профиля плотности ps (z) постоянным значением плотности и заменой аномалии атмосферной потенциальной температуры в аномалией океанской плотности, взятой со знаком минус.

Повышение давления смещает максимальную плотность воды в сторону более низких температур. Так, при 50 атм максимальная плотность наблюдается около О С. Выше 2000 атм аномалия плотности воды исчезает.

Таким образом, в широком интервале температур наиболее энергетически устойчивое соединение водорода и кислорода - вода. Она образует на Земле океаны, моря, льды, пары и туман, в большом количестве содержится в атмосфере, в толщах пород вода представлена капиллярной и кристаллогидратной формами. Такая распространенность и необычность свойств (аномалия плотности воды и льда, полярность молекул, способность к электролитической диссоциации, к образованию гидратов, растворов и др.)

делают воду активным химическим агентом, по отношению к которому обычно рассматривают свойства большого числа других соединений.

Жидкости, как правило, заметно расширяются при нагревании. У некоторых веществ (например, у воды) имеет место характерная аномалия в значениях изобарного коэффициента расширения. При более высоких давлениях максимум плотности (минимум удельного объема) сдвигается в сторону меньших температур, а при давлениях выше 23 МПа аномалия плотности у воды исчезает.

Эта оценка обнадеживает, поскольку величина Ба находится в неплохом соответствии с наблюдаемой глубиной термоклина, которая изменяется от 800 м в средних широтах до 200 м в тропической и полярной зонах. Так как глубина 50 значительно меньше глубины океана, представляется разумным рассматривать термоклин как пограничный слой; в соответствии с этим при постановке граничного условия на нижней границе можно считать, что температура на глубинах, больших БО, асимптотически стремится к некоторому горизонтально однородному распределению. Поскольку масштаб г уже равен D, удобно перенести начало координат на поверхность и измерять г от поверхности океана. Таким образом, при z - - аномалия плотности должна затухать, а идолжна стремиться к неизвестному пока асимптотическому значению, точно так же как вертикальная скорость, создаваемая на нижней границе экмановского слоя, не может быть задана априори.

Постоянные УП должны определяться из условий на граище. В гидростатическом слое вследствие больших градиентов плотности, создаваемых вертикальным движением (Ла S / Е) ус намного превосходит vj по величине. Вместе с тем v должно удовлетворять условию прилипания при f х О. Vn равны нулю и, следовательно, сам. Указанная трудность разрешается, если вспомнить, что во внутренней области вертикальное перемешивание плотности уравновешивает эффект вертикального движения, а в гидростат тическом слое аномалия плотности, создаваемая вертикальным движением, балансируется только эффектом горизонтального перемешивания. Таким образом, должна существовать промежуточная область между внутренней областью и гидростатическим слоем, в которой вертикальная и горизонтальная диффузии одинаково важны. Как показывает (8.3.20), эта область имеет горизонтальный масштаб Lff, так что рассчитанное с этим масштабом А равно единице.

Как известно, вода, при нагревании от нулевой температуры, сжимается, достигая наименьшего объема и, соответственно, наибольшей плотности при температуре 4 С. Исследователи из Техасского университета предложили объяснение, в котором учитывается не только взаимодействие ближайших молекул воды, но и более удаленных. Во всех 10-ти известных формах льда и в воде взаимодействие ближайших молекул происходит одинаковым образом. Иначе обстоит дело со взаимодействием более удаленных молекул. В жидкой фазе, в том интервале температур, где имеется аномалия плотности, более устойчивым является состояние с большей плотностью. Кривая зависимости плотности от температуры, которую ученые рассчитали, похожа на ту, что наблюдается для воды.

Чистая вода прозрачна и бесцветна. Она не имеет ни запаха, ни вкуса. Вкус и запах воде придают растворенные в ней примесные вещества. Многие физические свойства и характер их изменения у чистой воды аномальны. Это относится к температурам плавления и кипения, энтальпиям и энтропиям этих процессов. Аномален и температурный ход изменения плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4 С. Выше и ниже этой температуры плотность воды уменьшается. При отвердевании происходит дальнейшее резкое уменьшение плотности, поэтому объем льда на 10 % больше равного по массе объема воды при той же температуре. Все указанные аномалии объясняются структурными изменениями воды, связанными с возникновением и разрушением межмолекулярных водородных связей при изменении температуры и фазовых переходах. Аномалия плотности воды имеет огромное значение для жизни живых существ, населяющих замерзающие водоемы. Поверхностные слои воды при температуре ниже 4 С не опускаются на дно, поскольку при охлаждении они становятся более легкими. Поэтому верхние слои воды могут затвердевать, в то время как в глубинах водоемов сохраняется температура 4 С. В этих условиях жизнь продолжается.

Аномалии физических и химических свойств воды

1.5 Связь теории информации с теорией измерений

Количественная оценка измерительной информации

Естественные пределы измерений

1.6 Причины наличия ограничений количества информации, получаемой при измерениях

Разновидности шумов и причины их появления

1.7 Способы повышения информативности измерительного процесса

1.8 Общая характеристика этапов измерительного преобразования

Метрологические характеристики измерительных преобразователей

1.2 Классификация физических эффектов и областей их применения в измерительной технике

«Фундаментальное единство» природы. Метод электромеханических аналогий

Физические основы построения измерительных преобразователей генераторного типа

Физические основы создания электромеханических измерительных преобразователей генераторного типа

2.3 Пьезоэффект и его применение в измерительной технике

2.3.1 Теоретические основы построения пьезоэлектрических измерительных преобразователей генераторного типа

2.3.3 Ээсз пьезоэлектрического преобразователя генераторного типа

2.3.4 Физические основы работы пьезорезонансных измерительных преобразователей

2.3.2 Электрострикция и области применения ее в измерительной технике

2.4 Физические основы создания термоэлектрических измерительных преобразователей

2.4.1 Пироэффект и применение его в измерительных устройствах

2.4.2 Термоэлектрические эффекты в проводниках и полупроводниках

2.4.3 Особенности практической реализации термоэлектрических эффектов в измерительных устройствах

2.5 Гальваномагнитные эффекты и применение их в измерительных устройствах

2.5.1 Эффект Холла и применение его в измерительных устройствах

3. Физические эффекты, связанные с модуляцией активного сопротивления ээсз измерительного преобразователя

3.1 Принципы построения и разновидности резистивных измерительных преобразователей

3. 2 Физические основы создания пьезорезистивных преобразователей контактного сопротивления

3.3 Физические основы создания тензорезистивных проводниковых измерительных преобразователей

3.4 Физические основы полупроводниковых тензорезистивных преобразователей

3.6 Физические основы магниторезистивных измерительных преобразователей

3.7 Физические основы работы проводниковых терморезистивных измерительных преобразователей

3.8 Физические основы создания полупроводниковых терморезистивных измерительных преобразователей

3.9 Физические основы создания фоторезистивных измерительных преобразователей

3.10 Физические основы применения явления сверхпроводимости в измерительных устройствах

3.10.1 Свойства сверхпроводников

3.10.2 Квантово-механическая теория сверхпроводимости

Объяснение понятий экситона и поляритона

3.10.3 Применение явления сверхпроводимости в измерительной технике

3.10.4 Эффект Мейснера и его практическое применение

3.10.5 Стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона и применение их в измерительной технике

4. Физические основы создания электрохимических измерительных преобразователей

4.1 Полярографический эффект в растворах и применение его в измерительных устройствах

4.2 Физические основы работы кондуктометрических измерительных преобразователей

4.3 Применение в измерительной технике электрокинетических явлений в растворах

4.4 Принципы работы гальванических измерительных преобразователей

5. Физические основы создания первичных преобразователей, основанных на модуляции магнитных параметров измерительной цепи

5.1 Принцип работы магнитоиндукционных измерительных преобразователей генераторного типа

5.2 Теоретические основы создания индуктивных измерительных преобразователей

5.3 Принцип работы вихретоковых измерительных устройств

5.4 Физические основы магнитомодуляционных измерительных преобразователей

Эффект Виганда

5.5 Физические эффекты, связанные с модуляцией магнитных характеристик материалов

Пример реализации магнитострикционного эффекта в датчиках линейных перемещений

Принцип работы устройства

Дополнительные эффекты, возникающие в магнитомодуляционных преобразователях

5.6 Физические основы создания магнитоупругих измерительных преобразователей

5.7 Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетиков от влияющих факторов

6. Физические основы создания емкостных измерительных преобразователей

6.1 Модуляция геометрических размеров емкостных преобразователей

Принципы работы емкостных измерительных преобразователей

Емкостной преобразователь с переменной площадью обкладок

6.2 Физические основы емкостных измерительных устройств, основанных на модуляции диэлектрических свойств веществ

6.2.1 Строение материалов

6.2.2 Виды связей и механизмы поляризации диэлектриков

6.2.3 Влияние агрегатного состояния вещества на его диэлектрические свойства

6.2.4 Примеры практической реализация емкостных измерительных устройств, основанных на управлении диэлектрической проницаемостью веществ

7. Физические основы создания биодатчиков генераторного и параметрического типов

Глава 1. Информационно-энергетические основы теории измерений

Глава 2. Физические основы построения измерительных преобразователей генераторного типа

Глава 3. Физические эффекты, связанные с модуляцией активного сопротивления ээсз измерительного преобразователя

Глава 4. Физические основы создания электрохимических измерительных преобразователей

Глава 5. Физические основы создания первичных преобразователей, основанных на модуляции магнитных параметров измерительной цепи

Глава 6. Физические основы создания емкостных измерительных преобразователей

Глава 7. Физические основы создания биодатчиков генераторного и параметрического типов

Перечень физических эффектов

Аномалии физических и химических свойств воды

(характеристика аномально высокой информативности воды)

В периодической системе элементов Д.И. Менделеева кислород образует отдельную подгруппу. 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.

Но для воды характерны некоторые особенности ее свойств. Например, 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. 1.7. У самого тяжелого из гидридов
они отрицательны: выше 0°С это соединение газообразно. По мере перехода к гидридам более легким (
,
) температуры кипения и замерзания все более снижаются. Сохранись и далее эта закономерность, можно было бы ожидать, что вода должна кипеть при -70°С и замерзать при -90°C. 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 критических температур для гидридов в функции их молекулярной массы существует неожиданно резкий подъем – температура кипения воды +100°С, замерзания – 0°C. 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°С, требуется вшестеро больше количества теплоты, чем для нагрева этой же массы воды на 80°С (от 20 до 100°С).

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
фактически 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°С (от 20 до 100°С). 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 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°C.

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°С, а при дальнейшем увеличении температуры – возрастает. Минимальное значение удельной теплоемкости воды обнаружено при температуре 36,79°С, что соответствует нормальной 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°С 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°С.

Температурная область жизни теплокровных животных находится в границах третьей фазы (30...45°С). Другие виды организмов приспособились к иным температурным интервалам. Например, рыбы, насекомые, почвенные бактерии размножаются при температурах, близких к середине второй фазы (23...25°С), эффективная температура весеннего пробуждения семян приходится на середину первой фазы (5...10°С).

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°С.

Если вода ниже 0°С сохраняет не замерзшее состояние, например, будучи мелкодисперсной, то около -20°С резко увеличивается ее теплоемкость. Это установили американские ученые, исследуя свойство водных эмульсий, образованных капельками воды диаметром около 5 микрон.