Физические свойства воды. Уникальные свойства

Удивительные, во многом и до сих пор загадочные свойства воды всегда интриговали людей. Ее физические свойства служат серьезнейшим опровержением механическому подходу к явлениям даже косной природы [5, 238].

Молекула обычной воды имеет постоянную структуру – два атома водорода и один кислород. Но эти три атома сочетаются в каждой молекуле по-разному, и число этих сочетаний 42! Правда, устойчивыми из них являются только 9.
И все эти разнообразные молекулы одной и той же воды постоянно взаимодействуют между собой, изменяют свою структуру и, следовательно, состав. Образуются ассоциаты, т.е. сложные объединения общей формулы (Н₂О)_n (n = 2, 3, …). Вот и получается, что не только нельзя дважды войти в одну и ту же реку, как утверждал Гераклит, но и выпить дважды одну и ту же воду невозможно.

Стремление к ассоциации проявляется вследствие возникновения между молекулами воды дополнительных водородных связей: между атомами водорода одной молекулы и атомом кислорода другой.Поскольку при этом первоначальная связь атома водорода с «собственным» атомом кислорода не теряется, он оказывается соединенным одновременно с двумя атомами кислорода и тем самым связывает две молекулы воды друг с другом, упрочняя всю систему (рис. 7).

Рис. 7. Водородная связь между молекулами воды

Энергия этих связей не велика и составляет приблизительно 20 кДж/моль, т.е. примерно в 20 раз меньше энергии связи атомов внутри молекулы. Тем не менее эта величина оказалась достаточной для придания воде целого ряда особых свойств, делающих ее уникальной жидкостью, определяющих поведение гидросферы в природных условиях.

Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 4 ^оС плотность ее также увеличивается. При 4 ^оС вода имеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании ее плотность уменьшается. Так как наибольшей плотности вода достигает при 4 ^оС, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением при приближении зимы, заканчивается с достижением этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания. Лед легче воды.

Вода, превращаясь в лед, увеличивается в объеме примерно на 11% – коэффициент расширения для природных тел невиданный, даже если исключить тот феномен, что это происходит отнюдь не при нагреве. Сила ее расширения при этом колоссальна, давление на стенки, сдерживающие ее желание расширяться, достигает 2500 кгс/см²! (Удара в две с половиной тонны весом на каждый квадратный сантиметр поверхности не выдерживает самая прочная порода и сталь.)

Вода к увеличению давления гораздо индифирентнее, чем любое твердое вещество. При увеличении давления, она начинает замерзать при более низкой температуре (минус 3^о и ниже), опять же вопреки всем правилам.

Большое значение в жизни природы имеет и тот факт, что воды обладает аномально высокой теплоемкостью – 4,18 Дж/(г×К) (для сравнения удельная теплоемкость некоторых веществ составляет: песок +0,79, известняк 0,88, глицерин 2,43, этиловый спирт 2,85 Дж/(г×К)). Таким образом, вода является главным аккумулятором солнечной энергии.

Вязкость воды с ростом давления уменьшается, а не повышается, как следовало бы ожидать по аналогии с другими жидкостями. Сжимаемость воды крайне невелика, причем с ростом температуры уменьшается. Вода обладает большим поверхностным натяжением (72,53 мн/м, 20 ^оС) и смачивающей способностью. Причем чем чище вода, тем сильнее поверхностное натяжение. Есть утверждение, что если бы удалось совершенно избавить воду от примеси, то по озеру такой воды можно было бы и летом кататься на коньках.

Аномалии, аномалии… Их очень много, и очень хорошо. Представьте себе, что творилось бы в природе, имей вода температуру кипения 80^о, а плавления
100 ^оС. А именно такие температуры должна она иметь, следуя общей зависимости этих величин от молекулярной массы вещества в ряду: Н₂О – Н₂S – H₂Se – H₂Te (рис. 8).

Если бы это условие было выполнено, тогда выкипела бы вся вода океанов и морей, и наша планета стала бы безводной.

Описанные аномалии оказывают основополагающее воздействие на состояние природной воды, в том числе на такую важную ее характеристику, как химический состав, потому что, уподобив гидросферу индивидуальному веществу – воде, мы не забываем, что фактически – это многокомпонентный водный раствор.

Рис. 8. Температура кипения (1) и плавления (2) в ряду H₂O – H₂S – H₂Se – H₂Te. Пунктиром обозначены «нормальные» температуры кипения и плавления воды

Роль воды как главного и универсального растворителя определяется прежде всего полярностью ее молекул и, как следствие, чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемостью. Разноименные электрические заряды, и в частности ионы, притягиваются друг к другу в воде в 80 раз слабее, чем они бы притягивались в воздухе. Тепловому движению в этом случае легче разобщить молекулы. Оттого и происходит растворение, в том числе многих труднорастворимых веществ: не зря говорят: «Вода камень точит» [13].

Диссоциация (распадение) молекул воды на ионы в обычных условиях весьма мала – диссоциирует одна молекула из полумиллиарда: Н₂О ® Н⁺ + ОН^- или 2Н₂О ® Н₃О⁺ + ОН^-. Из приведенных реакций первая носит условный характер, так как в водной среде не может существовать лишенный электронной оболочки протон, он мгновенно соединяется с молекулой воды, образуя ион гидроксония Н₃О⁺.

Принципиально возможно, что ассоциаты водных молекул распадаются на весьма тяжелые ионы, такие, как 8 Н₂О ® Н₉О₄⁺ + Н₇О₄^-, а реакция
Н₂О ® Н⁺ + ОН^- – всего лишь схематическое общее изображение более сложных реакций.

Аномальная вода (или супервода) достигает максимальной плотности при
t = –10 ^оС, ее вязкость в 10–15 раз меньше классической воды, имеет полимеры (Н₂О)₃ и (Н₂О)₄.

Установлено наличие сверханомальной воды, которая не имеет максимальной плотности, не кристаллизуется (даже при – 100 ^оС), а застекловывается, как смола. Акад. А.Н. Фрумкин считает, что это новое четвертое агрегатное состояние воды – смолообразное и ставит его в ряд с открытием новых химических элементов.

Детализируйте значение аномально высокой теплоемкости воды (она выше, чем у воздуха в 3300 раз)…

[1] возрастание давления при 0 ^оС вызывает превращение льда в жидкость, а это значит, что температура плавления льда снижается;

[2] вода может находиться в равновесном состоянии в трех видах: жидкая вода, лед и пар (t = + 0,01 ^оС, р = 6,03×10^-3 атм);

[3] во сколько раз мы затратим больше энергии при нагревании 1 л воды на 1^о, во столько раз же больше ее выделится при охлаждении;

[4] в ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету также медленно нагревается, являясь регулятором температуры на земном шаре.