Аномальні властивості води: причини, значення

Аномальні властивості води: причини, значення

Люди звикли до води і вважають її звичайною речовиною. Вони часто сприймають її як щось само собою зрозуміле до тих пір, поки посуха не почне загрожувати посівам і запасам питної води, або сильна повінь не створить загрозу життю і майну. Багато хто не розуміє, що структура води та її аномальні властивості забезпечують існування життя на Землі.

Один з ранніх грецьких філософів, Фалес Мілетський (640-546 рр. до н. е.), досліджував універсальний характер води. Він вважав її основним елементом, з якого народжується все. Велика кількість води була очевидною, але Фалес зауважив, що вона є єдиною речовиною, природним чином присутньою на Землі одночасно в трьох різних станах: твердому, рідкому і газоподібному. У холодний зимовий день сніг і лід покривають поля, поруч тече річка, а над головою пливуть хмари.

Форми матерії

Всі речовини існують у трьох різних станах, які залежать від температури і тиску. Тверді тіла мають певну форму і мають кристалічну внутрішню структуру. За цим визначенням речовина, подібна до скла, буде вважатися високов 'язкою рідиною, оскільки вона не володіє кристалічною будовою. Тверді тіла схильні протистояти зовнішнім впливом. Вони можуть бути перетворені на рідину шляхом нагріву. Температура замерзання води при тиску в 1 атмосферу дорівнює 0 ° С, нижче якої вона існує у вигляді льоду.

Рідина, на відміну від твердого тіла, не володіє твердістю і не має певної форми. У неї є обсяг, і вона приймає форму посудини, в якій зберігається. Зовнішній вплив змушує її течу. Вода являє собою рідину між температурами замерзання і кипіння (100 ° С). Рідини можуть переходити в газоподібну фазу при нагріванні вище точки кипіння.

Газ не має ні форми, ні певного обсягу. Він приймає форму і займає обсяг посудини, в якій знаходиться. Газ розширюється і стискається зі зміною температури і тиску і здатний легко дифундирувати в інші гази.

Точки кипіння і замерзання

Аномальними властивостями води є її незвично високі температури кипіння і замерзання порівняно з іншими сполуками з аналогічною молекулярною структурою. Інші подібні речовини в звичайних умовах є газами. Очікується, що вода з її нижчою молекулярною масою, ніж аналогічні сполуки, повинна мати нижчі температури кипіння і замерзання. Однак через полярну природу її молекули і водневі зв 'язки температура її кипіння дорівнює 100 ° C, а замерзання - 0 ° C. Для порівняння, відповідні значення у сірководню H2S дорівнюють -60 ° C і -84 ° C, у селеноводню H2Se цей показник становить -42 ° C і -64 ° C і у теловодню -2 ° C і -49 ° C.

Тверда фаза

Як правило, з пониженням температури речовини стають більш щільними, і вода не є винятком. Її щільність при 25 ° C становить 0,997 г/мл і збільшується з до максимальної (1 г/мл) при T = 4 ° C. У метричній системі вимірювання кілограм визначається як маса 1 л води з максимальною щільністю. Між 4 ° C і точкою замерзання 0 ° C відбувається дивовижна річ, яка спостерігається у дуже невеликого числа речовин. Вода поступово розширюється, стаючи менш щільною. Щільність льоду при 0 ° C становить близько 0,917 г/мл. Молекули води утворюють кристали у формі тетраедра (чотиристоронньої фігури, кожна межа якої являє собою рівносторонній трикутник). Оскільки щільність твердої фази менша, ніж рідкої, лід плаває. При заморожуванні обсяг води збільшується на 1%.

Дуже важливо, що лід розширюється і плаває на поверхні. Через це взимку лопаються водопроводи і з 'являються вибоїни на дорогах. Замерзання і танення води значною мірою відповідальне за руйнування скель і утворення ґрунтів. Крім того, якби озера і потоки замерзали знизу вгору, то водне життя взагалі перестало б існувати, а кліматичні та погодні умови різко змінилися.

Тепломісткість

Ще однією аномальною властивістю води є її надзвичайно висока здатність поглинати тепло без значного підвищення температури. Наприклад, літнє сонце на пляжі нагріває пісок до такої міри, що стає неможливо по ньому ходити. Вода при цьому залишається прохолодною. Обидві речовини поглинають рівну кількість теплової енергії, але температура піску вища. Порожній залізний казанок, що висить над вогнем, швидко розжариться докрасна, але якщо він заповнений водою, то його нагрів відбувається поступово. Висока тепломісткість води робить її хорошою охолоджувальною рідиною в конденсаторах і автомобільних радіаторах, що запобігають двигунам від перегріву. Її значення в 5 разів перевищує тепломісткість піску і приблизно в 10 разів - заліза.

Помірний клімат у прибережних районах є результатом поглинання протягом дня величезної кількості сонячної теплової енергії водою і повільного вивільнення її вночі. Внутрішні райони далеко від узбережжя зазвичай відчувають набагато вищі екстремальні температури. Величезні океани на Землі (близько 75% площі поверхні) відповідають за пом 'якшення клімату на нашій планеті, підтримуючи існування життя.

Теплота плавлення і випаровування

З тепломісткістю пов 'язана теплота фазового переходу. Це кількість теплової енергії, що поглинається або вивільняється речовиною, яка змінюється у фазі (від рідкого до твердого стану, або навпаки, і від рідкої до газоподібного, або навпаки) без зміни температури. Надзвичайно високі значення питомої теплоти плавлення (332,4 кДж/кг) та випаровування (2256,2 кДж/кг) - чергові аномальні фізичні властивості води. При замерзанні виділяється така ж кількість тепла, яка поглинається в процесі плавлення.

Практичним прикладом використання питомої теплоти плавлення води є використання льоду для охолодження напоїв в ізольованому кулері. У процесі танення лід поглинає теплову енергію напоїв, зберігаючи їх прохолодними. Ємність з водою в теплиці в холодну зимову ніч пом 'якшить температуру в приміщенні через тепло, що виділяється при замерзанні. Конденсація пара вивільняє ту ж кількість тепла, яка поглинається в процесі випаровування. Питома теплота випаровування в 5 разів перевищує теплоту, необхідну для підвищення температури від 0 до 100 ° C. Аномальна властивість води зберігати велику кількість накопиченої теплової енергії робить парове опалення ефективним. У процесі конденсації пар вивільняє накопичену теплову енергію. Денна гроза в спекотний літній день - ще один приклад вивільнення теплової енергії у верхніх шарах атмосфери при конденсації гарячого вологого повітря. Навіть ураган є прикладом впливу перерозподілу величезної кількості теплової енергії, поглиненої тропічними океанами.

Системи іспанського охолодження працюють навпаки. Вода в процесі випаровування поглинає теплову енергію з повітря, охолоджуючи його.

Універсальний розчинник

Розчинник здатен розчиняти іншу речовину з утворенням гомогенної суміші (розчину) на молекулярному рівні. Ще однією аномальною властивістю води в хімії завдяки її полярній природі є її здатність розчиняти інші полярні сполуки - солі, спирти, карбоксильні сполуки тощо. У воді розчиняється більше речовин, ніж у будь-якому іншому розчиннику. У ній можна знайти більше половини відомих хімічних елементів, деякі у високих концентраціях, а інші - тільки в слідових кількостях. Наприклад, концентрація насичення хлориду натрію становить близько 36 г на 100 мл, а карбонату кальцію - близько 0,0015 г. Здатність води розчиняти речовину залежить від її хімічного складу, сили хімічних зв 'язків елементів, температури і рН.

Неполярні сполуки, в тому числі більшість вуглеводнів, розчиняються в низьких або слідових кількостях. Наприклад, масла, як правило, плавають на поверхні води.

Поверхневе натягнення

До аномальних властивостей води відносять і її найвище (після ртуті) поверхневе натягнення порівняно з будь-якою іншою рідиною. Це сила тяжіння молекул, розташованих під поверхнею і тих, які знаходяться на кордоні розділу рідина-повітря. Вона утримує воду від розтікання. Полярні сполуки, як правило, мають набагато більш високе поверхневе натягнення, ніж неполярні. І вода не є винятком. При 20 ° С даний показник дорівнює 0,07286 Н/м (у етилового спирту - 0,0228 Н/м).

Без зовнішнього впливу крапля H2O приймає форму сфери, оскільки ця фігура володіє найменшою площею поверхні на одиницю обсягу. Краплі дощу є крихітними кулями, які при тривалому впливі руйнують гірські породи. З цієї ж причини об 'єкти, більш важкі, ніж вода, можуть утримуватися на її поверхні. Комахи здатні ходити по ній, а лезо бритви - плавати.

Водневий зв 'язок визначає аномальну властивість води змочувати більшість поверхонь. Такі речовини вважаються гідрофільними. Вода здатна підніматися по стінках склянки та інших ємностей. Інші речовини, такі як олії, жири, віск і синтетика (поліпропілен тощо), не намокають. Вони є гідрофобними. Мембранні фільтрувальні картриджі з розміром пір менше 1 мкм виготовляють з гідрофобних полімерів за допомогою смочуючих агентів, що знижують поверхневе натягнення води, щоб остання могла проникнути і залишатися в них. Це явище називається капілярним ефектом. Він відповідає за рух води в ґрунті і по корінню рослин і крові по кровоносних судинах.

Аномальні властивості води та їхнє значення для життя

H2O є невід 'ємним компонентом існування всього живого. Це пояснює недавній інтерес до виявлення води в інших частинах Всесвіту. Усі відомі біохімічні процеси відбуваються у водному середовищі. Більшість живих істот містять 70-80% H2O за вагою.

Крім того, вода відіграє значну роль у процесі фотосинтезу. Рослини використовують променисту енергію сонця для перетворення води і вуглекислого газу на вуглеводи: 6CO2 + 6H2O + 672 Кал C6H12O6 + 6O2. Фотосинтез - найголовніша і найважливіша хімічна реакція на Землі. Він постачає поживні речовини, прямо або побічно, всім живим організмам і є основним джерелом атмосферного кисню.

Аномальні властивості води та їхні причини

Здатність елементів формувати з 'єднання залежить від здатності їх атомів віддавати або приймати електрони. Елементи першого типу стають позитивно зарядженими іонами (катіонами), а другого - негативно зарядженими аніонами.

Здатність елемента взаємодіяти з іншими елементами для утворення з 'єднань називається валентністю. Вона відповідає кількості отриманих або відданих електронів. Для неорганічних сполук алгебраїчна сума валентних чисел елементів дорівнює нулю. Електростатичне тяжіння протилежно заряджених іонів з утворенням з 'єднання називається іонним зв' язком.

Елементи, які утворюють воду (водень і кисень), існують окремо в молекулах H2 і O2, що містять по два атоми. Вони утримуються разом завдяки обміну електронною парою в хімічному зв 'язку, званій ковалентною. Вона набагато сильніша за іонну. Два атоми, утримувані разом ковалентним зв 'язком, утворюють набагато більш стійку молекулу, ніж її складові частини. У ній водень об 'єднується киснем за допомогою загальних електронних пар. Цей унікальний розподіл електронів в утвореній хімічній сполуці змушує атоми H розташовуватися по відношенню до O під кутом 104,5 °.

Аномальні фізичні властивості води пояснюються її структурою і хімічним зв 'язком.

Атом кисню має відносно сильний вплив на загальну пару електронів, в результаті чого атоми водню стають електроположними, а атом кисню - електроотрицьовною областю. Оскільки позитивно і негативно заряджені ділянки розподілені нерівномірно по відношенню до центральної точки, молекула води є полярною.

Така її природа змушує її ставати електростатично привабливою для інших молекул H2O, а також іонів і контактних поверхонь із зарядженими ділянками. Електроположні атоми водню притягуються до електроотрицательных атомів кисню сусідніх молекул води. Це явище називається водневим зв 'язком. Її міцність становить всього близько 10% ковалентної, але вона відповідає за більшість аномальних фізичних властивостей води. До них належать високі температури замерзання і кипіння, тепломісткість, питома теплота плавлення і випаровування, розчинність і поверхневе натягнення.

Водневий зв 'язок відповідає за підтримку цілісності молекули H2O під час хімічних реакцій. Тоді як інші сполуки піддаються іонізації, сама вода зберігає свою хімічну цілісність. Лише відносно невелике число молекул іонізується у водень і гідроксильні іони. Тому H2O є відносно поганим провідником електричного струму. Специфічний опір теоретично чистої води становить 18,3 МОм см, тоді як питна має питний опір менш ніж 10 000 Ом див. Таким чином можна легко перевірити чистоту H2O.

Аномальні властивості води пояснюються наявністю водневих зв 'язків, через які має місце низька щільність льоду. Вздовж них при замерзанні розташовуються молекули, що призводить до розширення речовини. З цієї причини лід плаває на поверхні води. Підвищений тиск знижує температуру плавлення. Тиск, створений лезом ковзання, топить лід, створюючи шар, що забезпечує витончене ковзання. Навіть при надзвичайно низьких температурах високий тиск послаблює кристалічну решітку. Це є причиною того, що величезні крижані маси, такі як льодовики, поступово рухаються.

Дипольний момент

Полярна природа молекули води змушує її орієнтуватися в електричному або магнітному полі. Електроотрицький атом кисню вибудовується до позитивного полюса, а електроположні атоми водню - в напрямку негативного. Вода має виключно великий дипольний момент, що являє собою витвір відстані між зарядами, помножений на величину заряду.

Діелектрична проникність є ще однією властивістю, пов 'язаною з дипольним моментом. Молекули води шляхом вирівнювання в електричному полі прагнуть нейтралізувати його і створити стійкість до передачі електростатичного заряду. Діелектрична проникність речовини визначається порожньою рівнянням F = Q1 ^ Q2/ε ^ r2, де F - сила між двома зарядами Q, розділена відстанню r у середовищі.

У міру збільшення діелектричної проникності сила між зарядами зменшується. Висока діелектрична постійна зменшує силу тяжіння іонів, що пояснює аномальні хімічні властивості води розчиняти найрізноманітніші речовини.

Ув 'язнення

Для людей вода - це звичайна речовина, яка часто приймається як належна. Незважаючи на те що аномальні властивостей води пояснюються на атомному рівні, її значення дійсно велике. Очевидно, що вона необхідна для існування життя на Землі. Аномальні властивості води, коротко кажучи, дозволяють їй служити медіатором хімічних і біохімічних процесів, формувати наше природне середовище і брати участь у створенні клімату і погоди.