“Ne postoji ništa mekše i slabije od vode, ali ipak ništa bolje za teške i jake stvari.”

Ovaj paradoks je formulisao kineski mudrac Lao Ce u drevnom tekstu Tao-Te-King, ili Sveto pismo o moralu. Zaista, sposobnost vode da pere, umiruje i hrani u suprotnosti je sa nezaustavljivom snagom, o čemu se ogledaju vodopadi Nijagare, Veliki kanjon (koji je tokom vekova isklesao reka Kolorado) i cunami.

Jednako paradoksalno, voda je i potpuno poznata – čini oko dvije trećine našeg tijela i pokriva tri četvrtine planete – i krajnje misteriozna. Iako vam se čini da to jako dobro poznajete, mnoga svojstva vode će vas jako iznenaditi. A neke od njih su toliko čudne da ih nauka još uvijek ne razumije u potpunosti.

Trka nizbrdo

Logična osoba će pretpostaviti da će toploj vodi trebati više vremena da se ohladi na 0 stepeni Celzijusa i zamrzne nego hladnoj. Ali čudna stvar je da to nije uvijek tačno. Godine 1963. tanzanijski student po imenu Erasto Mpemba to je u stvarnosti primijetio vruća voda smrzava se brže od hladne vode kada su dvije vodene površine izložene istim uslovima ispod nule.

I niko ne zna zašto.

Jedina pretpostavka je da je efekat Mpemba rezultat procesa cirkulacije topline koji se naziva konvekcija. U posudi se topla voda diže, istiskujući hladnu vodu i stvarajući "izolovani vrh". Naučnici spekulišu da konvekcija može na neki način ubrzati proces hlađenja, omogućavajući toplijoj vodi da se smrzne brže od hladne vode, bez obzira koliko žive mora da pređe da bi stigla do tačke smrzavanja.

klizava supstanca

vek i po naučno istraživanje nikad nije dao odgovor zašto možeš pasti na led. Naučnici se slažu da je na vrhu tanak sloj tečne vode čvrsti led postaje uzrok klizavosti, a pokretljivost tečnosti otežava kretanje, čak i ako su godine tanke. Ali ne postoji konsenzus o tome zašto led, za razliku od većine čvrste materije ima takav sloj.

Teoretičari sugeriraju da je proces klizanja, odnosno kontakt s ledom, ono što uzrokuje topljenje njegove površine. Drugi smatraju da tečni sloj postoji i prije nego što se pojavi klizeći objekt, te da nastaje zbog unutrašnjeg kretanja površinskih molekula.

Bez sumnje, tražite krivca koji leži na leđima i kipi od ljutnje, ali, nažalost, on još nije pronađen.

Aquanaut

Na Zemlji kipuća voda stvara hiljade sićušnih mjehurića pare. U svemiru se stvara jedan džinovski oscilirajući balon.

Dinamika fluida je toliko složena da fizičari nisu mogli zamisliti šta bi se dogodilo s kipućom vodom u nultom stepenu gravitacije sve dok na brodu nije sproveden eksperiment 1992. godine. svemirski brod. Nakon toga, fizičari su zaključili da je pojednostavljeni oblik ključanja u svemiru očito povezan s odsustvom konvekcije i sila dizanja- oba ova fenomena nastaju gravitacijom. Na Zemlji, ovi efekti izazivaju žuborenje koje vidimo u čajniku.

plutajuća tečnost

Kada kap vode udari u površinu mnogo topliju od tačke ključanja, ona može plutati na površini mnogo duže nego što biste očekivali. Ovo je Leidenfrostov efekat, a dolazi iz činjenice da kada donji sloj kapljice ispari, gasoviti molekuli voda u ovom sloju nema gde da ode, a njihovo prisustvo izoluje ostatak kapi i sprečava ga da dodirne vruću površinu. Dakle, kap postoji nekoliko sekundi prije nego što potpuno ispari.

Extraordinary Shell

Ponekad se čini da voda prkosi zakonima fizike, sprečavajući se da se raspadne, iako je gravitacija ili čak pritisak teških objekata pokušavaju razdvojiti.

To je površinska napetost, svojstvo koje čini da se vanjski sloj vodenog tijela (i nekih drugih tekućina) ponaša kao fleksibilna ljuska. Površinski napon nastaje zbog činjenice da su molekuli vode slabo vezani jedni za druge. Zbog toga površinski molekuli doživljavaju unutrašnji napor od molekula ispod njih. Voda će ostati netaknuta sve dok sila koja je razdire ne savlada silu ovih slabih veza i probije površinu.

Na primjer, na gornjoj fotografiji spajalica leži na površini vode. Iako je metal gušći od vode i stoga mora potonuti, površinska napetost sprječava spajalicu da probije površinu vode.

kipući snijeg

Kada postoji ogromna temperaturna razlika između vode i spoljašnjeg vazduha, nastaje neverovatan efekat – recimo, ako sipate lonac ključale vode (100 stepeni Celzijusa) u vazduh sa temperaturom od minus 34 stepena Celzijusa, onda ključanje voda će se odmah pretvoriti u snijeg i raspršiti se.

Objašnjenje: Ekstremno hladan vazduh je veoma gust, razmak između njegovih molekula je toliko mali da nema dovoljno prostora za transport vodene pare. Kipuća voda, s jedne strane, vrlo aktivno emituje paru. Kada se baci u zrak, raspada se na kapljice, što stvara još više prostora za širenje para. Ovo predstavlja problem. emituje više pare nego može zadržati zrak, i tako se širi, vezujući se za mikroskopske čestice u zraku, poput sode ili kalcija, i formirajući kristale. Tako nastaju pahulje.

Prazan prostor

Iako čvrsto stanje gotovo svaka supstanca je gušća od tekućine, budući da se atomi u čvrstim tvarima obično čvrsto spajaju, ovo ne funkcionira za H2O. Kada se voda smrzne, njen volumen se povećava za skoro 8 posto. Ovo je čudno svojstvo koje dozvoljava kockama leda, pa čak i ogromnim santima da lebde.

Kada se voda ohladi do tačke smrzavanja, molekuli imaju manje energije da se drže zajedno, te stoga mogu formirati jače vodonične veze sa svojim susjedima i postepeno se fiksirati. Ovaj isti proces uzrokuje očvršćavanje svih tekućina. I, kao iu drugim čvrstim materijama, veze između molekula leda su zaista kraće i jače nego u tekućoj vodi; razlika je u tome što heksagonalna struktura kristala leda ostavlja mnogo praznog prostora, čineći led sveukupno manje gustim od vode.

Višak volumena se ponekad može vidjeti u obliku izbočina na vrhovima kockica leda u vašem zamrzivaču. Ove izbočine se sastoje od viška vode istisnute iz kocke smrzavanjem (i širenjem) leda. U posudi se voda smrzava sa strana i dna prema sredini i vrhu, a led se širi prema centru.

Jedinstvena

Kako se kaže, ne postoje dvije iste pahulje. Zaista, kroz istoriju istraživanja snega, svaka prelepa građevina bila je apsolutno jedinstvena. A evo i zašto: pahulja se rađa u obliku jednostavne heksagonalne prizme. Dok pada, ona se susreće sa neponovljivim uslovima koji menjaju njihov oblik, uključujući različite temperature, nivoi vlage i atmosferskog pritiska. Ovi promjenjivi faktori su dovoljni da osiguraju da se formiranje kristala nikada ne dogodi dvaput u istom obrascu.

A ono što je najzanimljivije kod pahuljica je da svih šest njihovih grana rastu u savršenoj sinhroniji, stvarajući heksagonalnu simetriju, jer svaka grana doživljava iste uslove kao i sve druge.

Odakle je ona?

Tačno porijeklo vode na našoj planeti, koja pokriva oko 70 posto površine, još uvijek je misterija za naučnike. Oni sumnjaju da bi svaka voda koja se nakupila na površini planete tokom njenog formiranja tokom 4,5 milijardi godina isparila zbog intenzivne toplote mladog Sunca. To znači da je voda koju sada imamo sigurno došla kasnije.

Kako? Tokom perioda zvanog Kasno teško bombardovanje pre oko 4 milijarde godina, masivni objekti, verovatno iz drugih sistema, pali su na Zemlju i planete. Solarni sistem. Moguće je da su takvi objekti bili ispunjeni vodom, a ovi sudari bi mogli dostaviti ogromne količine ove supstance našoj planeti.

Komete - gomile leda i stena sa repovima leda koji isparava, koje kruže oko Sunca u dugim orbitama - mogu vrlo lako biti ostaci onoga što je palo na planetu. Međutim, postoji problem: daljinska istraživanja vode koja isparava iz nekoliko velikih kometa otkrila su da se one sastoje od vode drugačije vrste H2O (koja sadrži teži izotop vodika) od Zemljine, stoga takve komete ne mogu biti izvor sva naša divna voda.

anomalan fizička svojstva Vode su toliko svakodnevne i prirodne da obično i ne sumnjamo u njihovo postojanje, potpuno zaboravljajući da su ta svojstva dar prirode cijelom životu na Zemlji.

Mnogo je pisano o vodi. Pišu naučnici različitih specijalnosti - fizičari, hemičari, geolozi, biolozi, astronomi. Postoji čak i određena tradicija u pisanju kipova o vodi kako bi se priča započela opisom neobičnog, anomalna svojstva ovu tečnost.

Tačka topljenja i ključanja vode

Najviše iznenađujuće i najblaženije svojstvo vode za živu prirodu je njena sposobnost da bude tečnost u "normalnim" uslovima. Molekuli jedinjenja veoma sličnih vodi (na primer, molekuli H 2 S ili H 2 Se) su mnogo teži, ali pod istim uslovima formiraju gas. Stoga se čini da je voda u suprotnosti sa zakonima periodnog sistema, koji, kao što znate, predviđa kada, gdje i koja svojstva supstanci će biti bliska.

U našem slučaju iz tabele proizilazi da bi se svojstva vodoničnih spojeva elemenata (nazvanih hidridi) koji se nalaze u istim vertikalnim stupovima trebalo monotono mijenjati s povećanjem mase atoma. Kiseonik je element šeste grupe ove tabele. U istoj grupi su sumpor S (atomske mase 32), selen Se (atomske mase 79), telur Te (atomske mase 128) i polonijum Po (atomske mase 209). Slijedom toga, svojstva hidrida ovih elemenata bi se trebala monotono mijenjati pri prelasku sa teških elemenata na lakše, tj. u nizu H 2 Po → H 2 Te → H 2 Se → H 2 S → H 2 O. Što se i dešava, ali samo sa prva četiri hidrida. Na primjer, tačke ključanja i topljenja rastu kako se povećava atomska težina elemenata. Na slici, križići označavaju tačke ključanja ovih hidrida, a krugovi označavaju tačke topljenja.

Kako se atomska težina smanjuje, temperature se smanjuju na savršeno linearan način. Područje postojanja tekuće faze hidrida postaje sve "hladnije", a da je kisikov hidrid H 2 O normalno jedinjenje, slično njegovim susjedima u šestoj grupi, tada bi tečna voda postojala u rasponu od - 80°C do -95°C. Na višim temperaturama, H2O bi uvijek bio plin. Na našu sreću i svu sreću na Zemlji, voda je anomalna, ne prepoznaje periodični obrazac, već slijedi svoje zakone.

To se objašnjava jednostavno - većina molekula vode povezana je vodikovim vezama. Upravo te veze razlikuju vodu od tečnih hidrida H 2 S, H 2 Se i H 2 Te. Da nisu, tada bi voda ključala već na minus 95°C. Energija vodoničnih veza je prilično visoka i one se mogu prekinuti samo na mnogo višoj temperaturi. Čak i unutra gasovitom stanju veliki broj Molekuli H 2 O zadržavaju svoje vodonične veze, ujedinjujući se u dimere (H 2 O) 2 . Potpuno vodonične veze nestaju samo pri temperaturi vodene pare od 600 °C.

Podsjetimo da se ključanje sastoji u činjenici da se unutar kipuće tekućine formiraju mjehurići pare. Pri normalnom pritisku čista voda ključa na 100 "C. Ako se toplota dovodi kroz slobodnu površinu, proces površinskog isparavanja će se ubrzati, ali ne dolazi do volumetrijskog isparavanja karakterističnog za ključanje. Vrenje se može izvesti i spuštanjem spoljašnjeg pritisak, jer se u ovom slučaju pritisak pare jednak vanjskom pritisku postiže pri nižoj temperaturi. Na vrhu je vrlo visoka planina pritisak i, shodno tome, tačka ključanja su toliko niski da voda postaje neprikladna za kuvanje hrane - ne postiže se potrebna temperatura vode. Uz dovoljno visok pritisak, voda se može zagrijati dovoljno da otopi olovo (327°C), a da ne proključa.

Pored super velikih tačaka ključanja (a ovaj drugi proces zahteva previše toplote fuzije za tako jednostavnu tečnost), sam opseg postojanja vode je anomalan - sto stepeni po kojima se te temperature razlikuju - prilično veliki raspon za tako nisku molekularnu tečnost kao što je voda. Granice dopuštenih vrijednosti hipotermije i pregrijavanja vode su neobično velike - uz pažljivo zagrijavanje ili hlađenje, voda ostaje tečna od -40 ° C do +200 ° C. Ovo proširuje temperaturni raspon u kojem voda može ostati tečna na 240 °C.

Kada se led zagrije, njegova temperatura prvo raste, ali od trenutka formiranja mješavine vode i leda, temperatura će ostati nepromijenjena sve dok se sav led ne otopi. To se objašnjava činjenicom da se toplina koja se dovodi do topljenog leda prvenstveno troši samo na uništavanje kristala. Temperatura topljenja leda ostaje nepromijenjena sve dok se svi kristali ne unište (vidi latentnu toplinu fuzije).

Gustina vode i leda

Od vitalnog značaja za čitavu biosferu je sposobnost vode da smanji, a ne poveća svoju gustinu kada se smrzava (kao što se dešava sa gotovo svim drugim supstancama). Bizmut se u tom pogledu ponaša kao voda, ali je jedan od izuzetno rijetkih izuzetaka opšte pravilo. G. Galileo je prvi obratio pažnju na ovo neobično svojstvo vode. Zaista, tijekom prijelaza tekućine u čvrsto stanje, molekuli tvari bi se trebali činiti bliže, a sama tvar bi trebala postati gušća. Obično se stvari ponašaju ovako. Ali voda je izuzetak. Ako uzmete običnu vodu i, postepeno je hladeći, pratite promjenu gustine, primijetit ćete da će se na početku odvijati sasvim normalan i prirodan proces - voda postaje sve gušća i gušća kako se hladi i nećemo vidjeti nikakva odstupanja. od norme do dok se voda ne ohladi na 4°C. Ispod ove temperature, uprkos opšte ideje voda naglo postaje lakša, a kada se smrzne postaje još lakša i stvara led koji pluta na površini vode. Smrzavanje, voda se širi za 9% u odnosu na prethodnu zapreminu. Ovo proširenje može biti pogubno za vodosnabdijevanje u slučaju neočekivanih mrazeva. Smrzavanje vode u cijevima će ih slomiti.

Upravo ova osobina vode, kao što je poznato, štiti jezera i bare od neprekidnog smrzavanja u teškim zimama i na taj način spašava život u ovim rezervoarima. Jesenji vazduh hladi površinske slojeve jezera, oni postaju teži i tonu na dno. Jezero se hladi. Ali ovaj proces traje samo dok temperatura vode ne dostigne 4 °C. Ako sada površinski slojevi postanu još hladniji, onda više ne tonu na dno, jer je gustoća ovih slojeva manja od gustoće duboke vode, gdje se održava temperatura od 4 ° C. Razlike u gustoći nisu velike - te se razlike pojavljuju tek na četvrtoj decimali - ali su te razlike sasvim dovoljne da voda s temperaturom blizu 0 °C ne može prodrijeti u dubinu jezera. Proces hlađenja površinskih slojeva sada će ići brže i uskoro će olovna površina jezera biti prekrivena prvim krhkim ledom. Led je loš provodnik topline, pouzdano će sakriti život jezera od strašnih zimskih mrazeva. Ova cirkulacija objašnjava zašto se led formira ranije u plićim dijelovima jezera, a deblji kasnije.

Razlika u temperaturama gornjeg i donjeg sloja vode koristi se kada bageri rade u zimskim uslovima. Uz pomoć pumpi iz dubljeg dijela rezervoara voda se upumpava u površinske slojeve, čime se sprječava stvaranje leda u radnoj jedinici.

Ali morska voda (koja je, kao što znate, salamura, čija svaka litra sadrži oko 35 grama soli) se potpuno drugačije ponaša kada se ohladi: njena najveća gustoća se bilježi na nižim temperaturama od slatke vode, odnosno na -3,5°C. Ali morska voda se smrzava na -1,9 °C, tj. pretvara se u led prije nego što dostigne svoju maksimalnu gustinu.

Ako je tokom topljenja leda zapremina nastale tečnosti manja od zapremine uzetog leda, onda se može pretpostaviti da će prelazak leda u tečno stanje biti olakšan ako se led podvrgne pritisku, tj. približavajući kristale jedan drugom. U stvari, ako se na led primjenjuje visok pritisak, njegova tačka topljenja se smanjuje. Dakle, pod pritiskom od 2045 atm (po 1 cm 2), led će se otopiti na temperaturi od -22 ° C. Daljnji porast pritiska više ne smanjuje tačku topljenja, jer se formiraju novi oblici leda sa novim svojstvima. Sposobnost leda da se topi na nižoj temperaturi veliki pritisak takođe objašnjava da u glečerima, čija je debljina ogromna, topljenje u podnožju počinje ranije nego na površini.

toplotni kapacitet vode

Količina topline potrebna za zagrijavanje 1 g vode za 1° dovoljna je za zagrijavanje 9,25 g željeza, 10,3 g bakra za 1°. Nenormalno visok toplotni kapacitet vode pretvara mora i okeane u džinovski termostat, izglađujući dnevne fluktuacije temperature zraka. Štaviše, ne samo velike mase vode, poput mora, su načini za izglađivanje ovih fluktuacija, već i uobičajena vodena para u atmosferi. Oštre dnevne fluktuacije temperature u područjima velikih pustinja povezane su s odsustvom vodene pare u zraku. Suvi pustinjski vazduh gotovo je bez vodene pare, koja bi mogla sadržati brzo noćno hlađenje peska koji se zagrejao tokom dana, pa temperatura vazduha ne može biti veća od 5°C.

Toplotni kapacitet vode objašnjava pojavu različitog zagrijavanja vode i zemljišta: budući da se toplinski kapacitet čvrstih stijena koje čine kopnenu površinu i toplinski kapacitet vode oštro razlikuju, za zagrijavanje vode bit će potrebne različite količine topline i pijesak na istu temperaturu, pa je tokom dana temperatura pijeska viša od vode. Voda se hladi sporije od čvrstog kamena, pa je pijesak noću hladniji od vode. Kao što znate, zrak se ne zagrijava direktno sunčevim zracima, već prijenosom topline sa zagrijane površine zemlje i vode. AT ljetno vrijeme stvara se značajna temperaturna razlika između površine kopna i vode, zbog čega se zrak kreće u smjeru određenom razlikom u temperaturama vode mora i oceana i kopna uz njih.

Toplotni kapacitet vode (1 cal), inače, 2 puta je veći od toplotnog kapaciteta leda (0,5 cal), a za sve ostale tvari otapanje gotovo da nema utjecaja na ovu vrijednost.

Zašto ova vrijednost pokazuje tako veliku vrijednost u slučaju vode? Specifični toplotni kapacitet je količina toplote koja se mora preneti jednom gramu supstance da bi se temperatura povećala za jedan stepen Celzijusa. Posljedično, voda zahtijeva nenormalno veliku količinu topline za svoje zagrijavanje. Pošto povećanje temperature znači povećanje prosječne brzine kretanja molekula, molekularnim jezikom rečeno, veliki toplinski kapacitet vode znači da su njeni molekuli vrlo inertni. Za uvećanje prosječna brzina Molekuli H 2 O, iz nekog razloga moraju da daju dosta energije, iako su sami molekuli relativno mali u smislu molekularnih razmera. Sve se objašnjava postojanjem vodoničnih veza. Budući da je većina molekula vezana u prilično velike komplekse, odvojena "prosječna" molekula H 2 O može povećati kinetička energija na jedan od dva načina. Prvo može, nakon što se oslobodio svih svojih vodoničnih veza, početi samostalno kretati. I drugo, ubrzanje čitavog kompleksa molekula će, naravno, dovesti do povećanja brzine svakog H 2 O molekula uključenog u ovaj kompleks. Očigledno, obje ove metode zahtijevaju značajne troškove energije, što dovodi do veliki značaj specifična toplota vode.

· Latentna toplota topljenje i isparavanje vode

Ako je temperatura čvrste materije porasla do tačke topljenja ili je tečnost dostigla tačku ključanja, tada nastupa prelazna faza, kao da je pauza, tokom koje istovremeno postoje dve faze (čvrsta i tečna ili tečna i gasovita). Tokom ovog vremenskog perioda, koji se nastavlja sve dok se čvrsto tijelo potpuno ne ukapni ili pretvori u paru, apsorbirana toplina ne uzrokuje promjenu temperature tijela. Ova toplota se naziva latentna toplota i njena količina razne supstance nejednako. Latentna toplota fuzije, kao i isparavanja, je neobično visoka u vodi; ova okolnost je od velikog značaja za temperaturu zemljine površine. Riječ "skriveno" koju koristimo već sadrži neku aluziju na jedan fizički zakon koji treba naglasiti: toplina koju apsorbira voda ne nestaje nigdje. Kao što znate, jedan od osnovnih zakona prirode je zakon očuvanja i transformacije energije. U samom opšti pogled ovaj zakon je formulisan na sledeći način: energija iz jednog oblika prelazi u drugi (na primer, toplotna energija se može pretvoriti u mehaničku) bez uništenja; in zatvoreni sistem ukupna količina energije ostaje konstantna. Ovaj zakon potvrđuje i slučaj koji smo naveli. Kada kažemo da voda ima izuzetan toplotni kapacitet, jednostavno kažemo da voda kao tvar može pohraniti više toplinske energije uz manje kretanja atoma i molekula (a to se upravo mjeri temperaturom) od bilo koje druge rasprostranjene tvari. Energija ostaje na mjestu, u vodi; oslobodiće se kao toplota kada temperatura okoline padne; kao rezultat toga, smanjenje temperature neće biti tako oštro. Kada se voda zamrzne, daje istu količinu toplote koju apsorbuje kada se led topi. Znamo da je teže podnijeti vruće, ali vlažno vrijeme sa temperaturom od oko 30°, nego suho i vedro vrijeme sa još višom temperaturom. Razlog tome je dvostruk: prvo, naš znoj, isparavajući, hladi nas, oduzimajući toplotu sa površine kože i okolnog vazduha, ali ne može da ispari u atmosferi vlažnog dana zasićenog vodenom parom; drugo, kada se vodena para kondenzuje i pretvori u vodu, oslobađa se tačno onoliko toplote koliko je potrošeno na isparavanje.

Voda ima najveću latentnu toplinu isparavanja i latentnu toplinu fuzije u svijetu minerala. Za kuhanje vode iz kotlića potrebno je pet i po puta više topline nego za kuhanje. Da nije ovog imanja - čak i na vrućini da polako ispari, mnoga jezera i rijeke bi ljeti presušile do dna. Potrebno je mnogo topline da se led otopi. Latentna toplina fuzije (količina topline potrebna za otapanje 1 g leda na 0°C) je 79,4 cal. Zbog toga je proljetno topljenje leda sporo i spašava nas od velikih poplava (iako ne uvijek).

Dielektrična konstanta vode

Main električna karakteristika bilo kojeg medija - dielektrična konstanta - u slučaju vode pokazuje karakteristike neobične za tečnost. Prvo, vrlo je velika, za statička električna polja iznosi 81, dok za većinu drugih supstanci ne prelazi 10. Ako je bilo koja tvar izložena naizmjeničnom električnom polju, tada će dielektrična konstanta prestati biti konstantna vrijednost, ali zavisi od frekvencije primijenjenog polja, snažno opadajući za visokofrekventna polja. Ali permitivnost vode opada ne samo u vremenskim promjenjivim poljima, već iu prostoru. varijabilna polja, tj. voda je medij koji se ne može polarizirati.

Velika važnost permitivnost zbog posebnosti molekule H 2 O. Velika vrijednost statičke permitivnosti vode ε = 81 je zbog činjenice da je voda visoko polarna tekućina i stoga ima meki orijentacijski stupanj slobode (tj. rotacija molekularnih dipola ). Svaki molekul vode ima značajan dipolni moment. U nedostatku električnog polja, dipoli su nasumično orijentirani, a ukupno električno polje koje stvaraju je nula. Ako se voda stavi u električno polje, tada će se dipoli početi preorijentirati kako bi oslabili primijenjeno polje. Takva slika se uočava i u bilo kojoj drugoj polarnoj tekućini, ali voda, zbog velike vrijednosti dipolnog momenta molekula H 2 O, može vrlo snažno (80 puta) oslabiti vanjsko polje. Ovako voda reagira na vanjsko električno polje ako je primijenjeno polje konstantno u vremenu i malo se mijenja (ili se uopće ne mijenja) u prostoru ispunjenom vodom. U varijablama električna polja dielektrična konstanta vode opada sa povećanjem frekvencije primijenjenog polja, dostižući vrijednost od 4-5 za frekvencije veće od 10 12 Hz. 1929. P. Debye je predložio opisivanje reakcije vode na vanjsko električno polje koristeći kompleksnu permitivnost:

ε(ω) = ε ∞ + (ε ο - ε ∞)/(1 + i ω τ)

gdje je ω frekvencija vanjskog električnog polja, i je imaginarna jedinica, τ je karakteristično vrijeme relaksacije, ε ∞ ≈ 4÷5 je permitivnost vode na najvišoj frekvenciji vanjskog polja.

Iako je Debye koristio prilično vještački model strukture vode u izvođenju svoje formule, ovaj izraz se dobro slaže s eksperimentalnim podacima. Kao što vidimo, kako se frekvencija vanjskog polja povećava, dielektrična permitivnost naglo opada. Molekularno objašnjenje ovog fenomena je prilično jednostavno. Svako pojedinačno kretanje molekula H 2 O je jako ograničeno vodoničnim vezama. U naizmjeničnim električnim poljima, molekularni dipoli teže da prate promjenjivo polje. Na niskim frekvencijama uspijevaju. Međutim, kako se frekvencija povećava, navigacija postaje sve teže. Na kraju, dipoli potpuno prestaju da reaguju na spoljašnje polje. Permitivnost je sada određena samo brzim atomsko-molekularnim mehanizmom redistribucije električni naboj, koji je svojstven svim supstancama. Takvi mehanizmi djeluju u vodi iu slučaju stalnih polja, ali njihov doprinos ukupna vrijednost dielektrična konstanta je mala, samo 4-5 jedinica.

Površinski napon vode

Njegovu manifestaciju vidite kad god gledate kako voda polako kaplje iz slavine. Iz slavine izlazi film vode i počinje se rastezati, poput tanke gumene školjke, pod težinom tekućine koja se u njoj nalazi. Ovaj film, pričvršćen za otvor slavine, postepeno se produžava dok njegova težina odjednom ne postane prevelika. Film se, međutim, ne lomi, jer bi se rezač slomio ako je preopterećen. Umjesto toga, "sklizne" sa trtice slavine i, kao da zagrli malu količinu vode, formira kapljicu koja slobodno pada. Nesumnjivo ste više puta primijetili da kapljice koje padaju poprimaju gotovo sferičan oblik. Da nije spoljne sile, oni bi bili strogo sferni. Ono što posmatrate je jedna od manifestacija neobične sposobnosti vode da se "sažima", "samozbija", ili, drugim rečima, njene sposobnosti kohezije (kohezije). Kap vode koja curi iz slavine skuplja se u sićušnu kuglicu, a kuglica svih mogućih geometrijska tijela ima najmanju površinu za dati volumen.

Zbog prianjanja na površini vode nastaje napetost, a da bi se površina vode razbila potrebno je fizička snaga, i, začudo, prilično značajno. Neporemećena vodena površina može držati predmete koji su mnogo "teži" od vode, kao što su čelična igla ili žilet, ili neki insekti koji klize kroz vodu kao da nije tekućina, već čvrsto tijelo.

Od svih tekućina osim žive, voda ima najveću površinsku napetost.

Unutar tečnosti, privlačenje molekula jednih prema drugima je uravnoteženo. Ali ne na površini. Molekuli vode koji leže dublje povlače dolje najviše molekule. Stoga, kap vode, takoreći, teži da se smanji što je više moguće. Privlače ga sile površinskog napona.

Fizičari su tačno izračunali koji teret treba okačiti na stub vode debljine tri centimetra da bi se razbio. Težina će trebati ogromna - više od stotinu tona! Ali to je kada je voda izuzetno čista. Takve vode u prirodi nema. Uvek ima nešto u tome. Neka barem malo, ali strane tvari razbiju karike u snažnom lancu molekula vode, a kohezivne sile između njih se smanjuju.

Ako se kapljice žive nanesu na staklenu ploču, a kapi vode na parafinsku, tada će vrlo male kapljice imati oblik lopte, dok će veće biti malo spljoštene gravitacijom.

Ovaj fenomen se objašnjava činjenicom da između žive i stakla, kao i između parafina i vode, nastaju privlačne sile (adhezije) koje su manje nego između samih molekula (kohezija). Kada voda dođe u kontakt sa čistim staklom, a živa sa metalna ploča uočavamo gotovo ujednačenu raspodjelu obje tvari na pločama, budući da su sile privlačenja između molekula stakla i vode, molekula metala i žive veće od privlačenja između pojedinih molekula vode i žive. Ova pojava, kada je tečnost ravnomjerno raspoređena po površini čvrste tvari, naziva se vlaženje. To znači da voda vlaži čisto staklo, ali ne vlaži parafin. Vlaženje u određenom slučaju može ukazivati ​​na stepen kontaminacije površine. Na primjer, na čisto opranom tanjuru (porculan, fajans) voda se širi u ravnomjernom sloju, u čisto opranoj tikvici zidovi su ravnomjerno prekriveni vodom, ali ako voda na površini poprimi oblik kapi, to znači da površina posude je prekrivena tankim slojem tvari koja ne vlaži vodu, najčešće masti.

Primjeri strukture vode:

1. Kristal destilovane vode, bez uticaja.

2. Izvorska voda.

3. Antarktički led.

4. Ovako izgleda kristal vode nakon slušanja Betovenove Pastorale.

5. Kristal nastao nakon slušanja heavy metal rocka.

6. Kristal nakon izlaganja riječi "You are a fool" je vrlo sličan kristalu nakon izlaganja "hard rock" muzici.

7. Riječ "Anđeo".

8. Riječ "Đavo".

9. Voda je dobila zahtjev da "Uradi to".

10. Voda je dobila naredbu "Uradi to."

11. Riječi „Dosadio si mi. Ubit cu te".

12. Voda primljena elektromagnetno zračenje ljubav i zahvalnost

17. Riječi "Ljubav i zahvalnost" izgovorene na engleskom.

18. Riječi "Ljubav i zahvalnost" izgovorene na japanskom.

19. Izrečene riječi "Ljubav i zahvalnost". njemački

Amfifilne supstance:

Svi znaju da se ribe osjećaju ugodno samo u vodi, a većina mačaka prema vodenim postupcima se odnosi s očiglednim nezadovoljstvom, ali životinje poput žabe ili tritone sasvim su sposobne i plivati ​​u rijeci ili lokvi i slobodno se kretati po zemlji! Ove životinje se nazivaju vodozemci ili vodozemci. Njihovi vodozemci, sposobni da se rastvaraju i u hidrofilnim i u hidrofobnim, sami molekuli amfifilnih jedinjenja slični su punoglavcu: sastoje se od dugog repa ugljikovodika (obično izgrađenog od više od deset CH 2 grupa), koji osigurava topljivost u nepolarnim medija i polarnu glavu, odgovornu za hidrofilna svojstva. Dakle, amfifilna jedinjenja istovremeno "vole" i vodu (to jest, hidrofilna su) i nepolarna otapala (pokazuju hidrofobna svojstva).

U zavisnosti od vrste hidrofilne grupe, izoluju se amfifilna jedinjenja koja imaju nabijenu kationsku ili anjonsku funkcionalnu grupu i amfifilna jedinjenja sa nenabijenom funkcionalnom grupom. Velika većina poznatih organskih spojeva nosi više od jedne nabijene funkcionalne grupe. Primjer takvih supstanci su makromolekularna jedinjenja - proteini, lipoproteini, blok kopolimeri itd. Prisutnost tercijarne strukture u proteinskim molekulima, koja nastaje kao rezultat intramolekularnih interakcija funkcionalnih grupa (polarnih ili nepolarnih) jedna s drugom, samo po sebi pokazuje amfifilnu prirodu ovih spojeva.

Drugi primjer amfifilnih jedinjenja je većina lijekova, čije molekule kombinuju skup određenih funkcionalnih grupa neophodnih za efikasno vezivanje za ciljni receptor.

Uloga amfifilnih spojeva u dobivanju nanomaterijala i nanotehnoloških proizvoda teško je precijeniti. Amfifilna jedinjenja su često surfaktanti. Njihovi molekuli se “samo-sastavljaju” (samo-sastavljaju) na različitim sučeljima, formirajući tanke filmove samosklopljivih monoslojeva debljine samo jednog molekula, formirajući “micelarne” sisteme.

Amfifilna jedinjenja igraju posebnu ulogu u živoj prirodi. Nijedna životinja ili biljka ne mogu postojati bez njih! Od amfifilnih molekula sastoji se stanična membrana koja odvaja živi organizam od neprijateljskog. spoljašnje okruženje. Upravo ovi molekuli čine unutrašnje organele ćelije, učestvuju u procesu njene deobe, uključeni su u metabolizam sa okruženje. Amfifilni molekuli služe nam kao hrana i formiraju se u našim tijelima, učestvuju u unutrašnjoj regulaciji i ciklusu žučnih kiselina. Naše tijelo sadrži više od 10% amfifilnih molekula. Zbog toga sintetički surfaktanti mogu biti opasni za žive organizme i, na primjer, mogu otopiti ćelijsku membranu i dovesti do njene smrti.

Čista voda je bezbojna prozirna tečnost. Gustoća vode prilikom njenog prijelaza iz čvrstog u tekuće stanje se ne smanjuje, kao u gotovo svim drugim tvarima, već se povećava. Kada se voda zagrije od 0 do 4°C, povećava se i njena gustina. Na 4°C voda ima maksimalnu gustinu, a tek daljim zagrijavanjem njena gustina se smanjuje.

Ako se sa smanjenjem temperature i tokom prijelaza iz tekućeg u čvrsto stanje gustoća vode promijenila na isti način kao što se događa s velikom većinom tvari, onda kada se zima približi, površinski slojevi prirodne vode ohladio. do 0°C i potone na dno, stvarajući prostor za toplije slojeve, a to bi se nastavilo sve dok cijela masa rezervoara ne bi postigla temperaturu od 0°C. Nadalje, voda bi počela da se smrzava, nastale ledene plohe bi potonule na dno i akumulacija bi se zamrznula do cijele dubine. Istovremeno, mnogi oblici života u vodi bili bi nemogući. Ali pošto najveća gustina voda dostigne temperaturu od 4°C, tada se kretanje njenih slojeva, uzrokovano hlađenjem, završava kada se ta temperatura dostigne. Daljnjim smanjenjem temperature, ohlađeni sloj, koji ima manju gustoću, ostaje na površini, smrzava se i na taj način štiti donje slojeve od daljnjeg hlađenja i smrzavanja.

Od velikog značaja u životu prirode je činjenica da voda. ima nenormalno veliki toplotni kapacitet, pa se noću, kao i pri prelasku iz leta u zimu, voda sporo hladi, a tokom dana ili pri prelasku iz zime u leto takođe se polako zagreva, tako da je regulator temperature na kugli zemaljskoj.

Zbog činjenice da se kada se led topi, zapremina koju zauzima voda smanjuje, pritisak smanjuje tačku topljenja leda. Ovo proizilazi iz Le Chatelierovog principa. Zaista, neka. led i tečna voda su u ravnoteži na 0°C. Sa povećanjem pritiska, ravnoteža će se, prema Le Chatelierovom principu, pomeriti ka formiranju one faze, koja pri istoj temperaturi zauzima manji volumen. Ova faza je u ovom slučaju tečna. Dakle, povećanje tlaka na 0°C uzrokuje transformaciju leda u tekućinu, što znači da se temperatura topljenja leda smanjuje.

Molekul vode ima ugaonu strukturu; jezgre uključene u njegov sastav formiraju jednakokraki trokut, u čijoj se bazi nalaze dva protona, a na vrhu - jezgro atoma kisika, međunuklearno O-N udaljenosti blizu 0,1 nm, udaljenost između jezgara atoma vodika je približno 0,15 nm. Od osam elektrona koji čine vanjski elektronski sloj atoma kisika u molekuli vode, dva elektronska para formiraju kovalentna O-N konekcije, a preostala četiri elektrona su dva nepodijeljena elektronska para.

Atom kiseonika u molekuli vode je u -aea?eaecaoee stanju. Stoga je ugao veze HOH (104,3°) blizu tetraedarskog (109,5°). Elektroni koji formiraju O-H veze se pomjeraju na elektronegativniji atom kisika. Kao rezultat, atomi vodonika postaju efikasni pozitivnih naboja, tako da se na ovim atomima stvaraju dva pozitivna pola. Centri negativnih naboja usamljeni elektronski parovi atoma kiseonika, koji se nalaze u hibridnim orbitalama, pomeraju se u odnosu na jezgro atoma i stvaraju dva negativna pola.

Molekularna težina parne vode je 18 i odgovara njenoj najjednostavnijoj formuli. Međutim, ispostavilo se da je molekularna težina tekuće vode, određena proučavanjem njenih otopina u drugim otapalima, veća. To ukazuje da u tekućoj vodi postoji asocijacija molekula, odnosno njihova kombinacija u složenije agregate. Ovaj zaključak potvrđuju i anomalno visoke vrijednosti tačaka topljenja i ključanja vode. Povezivanje molekula vode uzrokovano je stvaranjem vodikovih veza između njih.

U čvrstoj vodi (ledu), atom kisika svake molekule sudjeluje u stvaranju dvije vodikove veze sa susjednim molekulima vode prema shemi u kojoj su vodikove veze prikazane isprekidanom linijom. Dijagram volumetrijske strukture leda prikazan je na slici. Formiranje vodikovih veza dovodi do takvog rasporeda molekula vode, u kojem su u kontaktu jedni s drugima sa svojim suprotnim polovima. Molekuli formiraju slojeve, od kojih je svaki povezan s tri molekula koji pripadaju istom sloju i s jednim iz susjednog sloja. Struktura leda pripada najmanje gustim strukturama, u njemu postoje praznine, veličine najmanje gustih struktura, u njemu postoje praznine, čije dimenzije nešto premašuju dimenzije molekule.

Kada se led topi, njegova struktura je uništena. Ali čak i u tekućoj vodi, vodikove veze između molekula su očuvane: formiraju se saradnici - poput fragmenata strukture leda - koji se sastoje od većeg ili manjeg broja molekula vode. Međutim, za razliku od leda, svaki saradnik postoji vrlo kratko: uništavanje jednih i stvaranje drugih agregata se stalno dešava. U praznine takvih agregata "ledene" mogu se postaviti pojedinačni molekuli vode; u ovom slučaju, pakovanje molekula vode postaje gušće. Zato se kada se led topi, zapremina koju zauzima voda smanjuje, a njena gustoća se povećava.

Kako se voda zagrijava, fragmenti ledene strukture u njoj postaju sve manji, što dovodi do daljeg povećanja gustoće vode. U temperaturnom opsegu od 0 do 4°C ovaj efekat prevladava nad termičkim širenjem, tako da gustina vode nastavlja da raste. Međutim, kada se zagrije iznad 4°C, prevladava učinak povećanog toplinskog kretanja molekula i gustoća vode opada. Stoga, na 4°C, voda ima maksimalnu gustinu.

Kada se voda zagrije, dio topline se troši na kidanje vodoničnih veza (energija kidanja vodonične veze u vodi je približno 25 kJ/mol). Ovo objašnjava visok toplotni kapacitet vode.

Vodikove veze između molekula vode potpuno se prekidaju tek kada voda pređe u paru.

Agregatna stanja vode

Fizička svojstva vode su anomalna, što se objašnjava gornjim podacima o interakciji između molekula vode. Voda je jedina supstanca na Zemlji koja postoji u prirodi u sva tri agregatna stanja – tečnom, čvrstom i gasovitom.

Gustina vode u čvrstom i tečnom stanju

Topljenje leda na atmosferski pritisak praćeno smanjenjem zapremine za 9%. Gustoća tekuće vode na temperaturi blizu nule veća je od gustine leda. Na 0°C, 1 gram leda zauzima zapreminu od 1,0905 kubnih centimetara, a 1 gram tekuće vode zauzima zapreminu od 1,0001 kubnih centimetara. I led pluta, zbog čega vodena tijela obično ne promrzavaju, već su samo prekrivena ledenim pokrivačem.

Temperaturni koeficijent volumetrijskog širenja leda i tekuće vode je negativan na temperaturama ispod - 2100 C i + 3,980 C, respektivno.

Toplotni kapacitet vode

Toplotni kapacitet pri topljenju se skoro udvostručuje iu rasponu od 00 C do 1000 C gotovo je nezavisan od temperature

Tačke topljenja i ključanja vode u poređenju sa drugim vodikovim jedinjenjima elemenata glavne podgrupe YI grupe periodnog sistema

Voda ima nepravilan visoke temperature topljenje i ključanje u odnosu na druge jedinjenja vodonika elementi glavne podgrupe grupe VI periodnog sistema.

Dijagram statusa vode

Dijagram stanja (ili fazni dijagram) je grafička slika zavisnosti između veličina koje karakterišu stanje sistema i faznih transformacija u sistemu (prelaz iz čvrstog u tečno stanje, iz tečnog u gasovito stanje, itd.). Dijagrami stanja se široko koriste u hemiji. Za jednokomponentne sisteme obično se koriste dijagrami stanja koji pokazuju zavisnost fazne transformacije o temperaturi i pritisku; oni se nazivaju P-T dijagrami stanja.

Slika prikazuje u šematskom obliku (bez strogog pridržavanja mjerila) dijagram stanja vode. Bilo koja tačka na dijagramu odgovara određenim vrijednostima temperature i pritiska.

Dijagram prikazuje ona stanja vode koja su termodinamički stabilna pri određenim temperaturama i pritiscima. Sastoji se od tri krivulje koje graniče sve moguće temperature i pritiske u tri regiona koji odgovaraju ledu, tečnosti i pari.

Razmotrimo svaku od krivulja detaljnije. Počnimo sa OA krivom (slika 3), koja razdvaja područje pare od regiona tečnog stanja. Zamislite cilindar iz kojeg se uklanja zrak, nakon čega se u njega unosi određena količina čiste, bez otopljenih tvari, uključujući plinove; cilindar je opremljen klipom, koji je fiksiran u određenom položaju. Nakon nekog vremena, dio vode će ispariti i zasićena para će biti iznad njene površine. Možete izmjeriti njegov pritisak i osigurati da se ne mijenja tokom vremena i da ne zavisi od položaja klipa. Ako povećate temperaturu cijelog sistema i ponovo izmjerite pritisak zasićena para, ispostavilo se da se povećao. Ponavljanjem ovakvih mjerenja na različitim temperaturama nalazimo ovisnost tlaka zasićene vodene pare o temperaturi. OA kriva je graf ove zavisnosti: tačke krivulje pokazuju one parove vrednosti temperature i pritiska na kojima su tečna voda i vodena para u ravnoteži jedna s drugom - koegzistiraju. OA kriva se naziva kriva ravnoteže tekućina-para ili kriva ključanja. U tabeli su prikazane vrijednosti tlaka zasićene vodene pare na nekoliko temperatura.

sl.3 (gore)

Pokušajmo da u cilindru ostvarimo pritisak različit od ravnotežnog, na primjer, manji od ravnotežnog pritiska. Da biste to učinili, otpustite klip i podignite ga. U prvom trenutku će pritisak u cilindru zaista pasti, ali će se ubrzo uspostaviti ravnoteža: dodatna količina vode će ispariti i pritisak će ponovo dostići ravnotežnu vrednost. Tek kada sva voda ispari, može se ostvariti pritisak manji od ravnotežnog. Iz ovoga slijedi da područje pare odgovara tačkama koje leže na faznom dijagramu ispod ili desno od OA krive. Ako pokušate stvoriti pritisak koji premašuje ravnotežni, onda se to može postići samo spuštanjem klipa na površinu vode. Drugim riječima, tačke dijagrama koje leže iznad ili lijevo od OA krive odgovaraju području tečnog stanja.

Koliko dugo se područja tekućeg i parnog stanja protežu lijevo? Ocrtajmo jednu tačku u oba područja i od njih ćemo se kretati horizontalno ulijevo. Ovo kretanje tačaka na dijagramu odgovara hlađenju tečnosti ili pare na konstantan pritisak. Poznato je da ako hladite vodu pri normalnom atmosferskom pritisku, onda kada dostigne 0 ° C, voda će početi da se smrzava. Provodeći slične eksperimente na drugim pritiscima, dolazimo do OS krive koja odvaja područje tekuće vode od područja leda. Ova kriva - kriva ravnoteže čvrstog i tekućeg, ili kriva topljenja - pokazuje one parove vrijednosti temperature i pritiska na kojima su led i tečna voda u ravnoteži.

Krećući se horizontalno ulijevo u području pare (u donjem dijelu dijagrama), na sličan način ćemo doći do 0V krive. Ovo je kriva ravnoteže čvrstog stanja i para, ili kriva sublimacije. Odgovara onim parovima vrijednosti temperature i pritiska na kojima su led i vodena para u ravnoteži.

Sve tri krive se seku u tački O. Koordinate ove tačke su jedini par vrednosti temperature i pritiska. u kojoj sve tri faze mogu biti u ravnoteži: led, tečna voda i para. Zove se trostruka tačka.

Kriva topljenja je proučavana do vrlo visokih pritisaka.U ovom području je pronađeno nekoliko modifikacija leda (nije prikazano na dijagramu).

Sa desne strane, kriva ključanja završava na kritična tačka. Na temperaturi koja odgovara ovoj tački, kritična temperatura, veličine koje karakterišu fizička svojstva tečnosti i pare postaju iste, tako da razlika između tečnog i parnog stanja nestaje.

Postojanje kritične temperature ustanovio je 1860. D. I. Mendeljejev, proučavajući svojstva tečnosti. Pokazao je da na temperaturama iznad kritične, supstanca ne može biti unutra tečno stanje. Godine 1869. Andrews je, proučavajući svojstva gasova, došao do sličnog zaključka.

Kritična temperatura i pritisak za različite supstance su različiti. Dakle, za vodonik = -239,9 °N, = 1,30 MPa, za hlor = 144 ° C, = 7,71 MPa, za vodu = 374,2 ° C, = 22,12 MPa.

Jedna od karakteristika vode koja je razlikuje od drugih supstanci je smanjenje tačke topljenja leda sa povećanjem pritiska. Ova okolnost se ogleda u dijagramu. Kriva topljenja OC na dijagramu stanja vode ide gore ulijevo, dok za gotovo sve ostale tvari ide gore udesno.

Transformacije koje se dešavaju sa vodom pri atmosferskom pritisku reflektuju se na dijagramu tačkama ili segmentima koji se nalaze na horizontali koja odgovara 101,3 kPa (760 mm Hg). Dakle, otapanje leda ili kristalizacija vode odgovara tački D, ključanje vode odgovara tački E, zagrijavanje ili hlađenje vode odgovara segmentu DE, itd.

Dijagrami stanja su proučavani za brojne supstance od naučne ili praktične važnosti. U principu su slični razmatranom dijagramu stanja vode. Međutim, dijagrami stanja različitih supstanci mogu imati karakteristike. Dakle, supstance su poznate trostruki bod koji leži pod pritiskom većim od atmosferskog. U ovom slučaju, zagrijavanje kristala na atmosferskom tlaku ne dovodi do topljenja ove tvari, već do njene sublimacije - transformacije čvrste faze direktno u plinovitu.

Teška voda

Prilikom elektrolize obične vode, koja uz molekule HO sadrži i neznatnu količinu molekula DO koje formira teški izotop vodonika, molekule HO se pretežno razlažu, pa se tokom dugotrajne elektrolize vode ostatak postepeno razgrađuje. obogaćen molekulima DO.Iz takvog ostatka nakon višestrukog ponavljanja elektrolize 1933. godine Po prvi put je bilo moguće izolovati malu količinu vode koja se sastoji od skoro 100% D O molekula i nazvana je teška voda.

Teška voda se po svojim svojstvima značajno razlikuje od obične (stolne). Reakcije sa teškom vodom se odvijaju sporije nego sa običnom vodom. Teška voda se koristi kao moderator neutrona u nuklearnim reaktorima.

Izotopski sastav

Postoji devet stabilnih izotopskih varijanti vode. Držati ih unutra svježa voda u prosjeku slijedeće:

1H216O - 99,73%, 1H218O - 0,2%,

1H217O - 0,04%, 1H2H16O - 0,03%. Preostalih pet izotopskih vrsta prisutno je u vodi u zanemarljivim količinama.