разное

Аномалии физических и химических свойств воды

В периодической системе элементов Д. И. Менделеева кислород образует отдель­ную подгруппу. Она так и называется: под­группа кислорода.

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.), не-

Пременно 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.

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 H2Te они отрицатель­ны: выше 0°С это соединение газообразно. По мере перехода к гидридам более легким (H2Se, H2S) 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 температуры 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 Н20 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 сме­
лые 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 Донбасса 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. А вот пример совсем из дру­гой области человеческой деятельности — сельского хозяйства, садоводства. Когда позд­ней весной внезапные ночные заморозки уг­рожают цветущим плодовым деревьям, опыт­ные садоводы находят выход, кажущийся со­вершенно неожиданным: они проводят дож­девание сада. Пелена мельчайших водных брызг окутывает замерзающие деревья. Ка­пельки воды покрывают лепестки цветов. Превращаясь в лед, вода надевает на цветы ле­дяную шубу, отдавая при этом им свое тепло (335 Дж от 1 г замерзающей воды).

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, а ведь это нормальная 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.

Углубленное изучение физического смыс­ла и направлений практического примене­ния данного явления еще ждут своих исследо­вателей. Но уже и теперь ясно, что эти откры­тия представляют очень интересный и цен­ный познавательный материал.

13