В каком градусе замерзает вода. Свойства воды: «Обыкновенные чудеса» в нашей жизни

Простейшая, распространенная и одновременно самая загадочная, удивительное вещество на свете — вода. Переменная плотность, высокая теплоемкость и огромный поверхностное натяжение воды , ее способность к « памяти» и структурированности — все это аномальные свойства такой, казалось бы, простого вещества, как Н20.

Самое интересное, что жизнь существует благодаря аномальным свойствам воды, которые длительное время не удавалось объяснить с точки зрения законов физики и химии. Это связано с тем, что между молекулами воды существуют водородные связи. Поэтому в жидком состоянии вода не просто смесь молекул, а сложная и динамично переменная сеть из водных кластеров. Каждый отдельный кластер живет небольшое время, однако именно поведение кластеров влияет на структуру и свойства воды.

Вода имеет аномальные значения температуры замерзания и кипения, по сравнению с другими бинарными соединениями водорода. Если сравнить температуры плавления близких к воде соединений: H2S, Н2Те, H2Se, то можно предположить, что температура плавления Н20 должна быть между 90 и -120 ° С. Однако в действительности она составляет 0 ° С. Аналогично и температура кипения: для H2S равна -60,8 ° С, для H2Se -41,5 ° С, Н2Те -18 ° С. Несмотря на это, вода должна закипать не менее при +70 ° С, а она кипит при +100 ° С. Исходя из того, что температура плавления и кипения воды — аномальные свойства, можно сделать вывод, что в условиях нашей планеты жидкое и твердое состояния воды также аномальные. Нормальным должно быть только газовать и состояние.

Вам уже известно, что тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Как это ни парадоксально, но вода ведет себя иначе. При охлаждении от 100 ° С до -4 ° С вода сжимается, увеличивая свою плотность. При температуре +4 ° С имеет наибольшую плотность. Но при дальнейшем охлаждении до 0 ° С она начинает расширяться, а ее плотность уменьшается! При 0 ° С (температуре замерзания воды) вода переходит в твердое агрегатное состояние. Момент перехода сопровождается резким увеличением объема (примерно на 10%) и соответствующим уменьшением плотности. Свидетельством этого явления то, что лед плавает на поверхности воды. Все другие вещества (за исключением Висмута и Галлию) тонут в жидкостях, образовавшихся при их плавлении. Феноменальная переменная плотность воды позволяет рыбе жить в водоемах, замерзают: когда температура падает ниже -4 ° С, более холодная вода, как менее плотная, остается на поверхности и замерзает, а подо льдом сохраняется плюсовая температура.

Вода имеет аномально высокую теплоемкость в жидком состоянии. Теплоемкость воды в два раза больше теплоемкости пара, а теплоемкость пара равна теплоемкости… льда. Теплоемкость — это количество тепла, необходимого для повышения температуры на 1 ° С. При нагревании от 0 ° С до +35 ° С теплоемкость ее не увеличивается, а падает. При дальнейшем нагревании от +35 ° С до +100 ° С снова начинает расти. Температура тела живых организмов совпадает с наиболее низкими значениями теплоемкости воды.

Переохлаждение — способность воды охлаждаться до температур, ниже температуры ее замерзания, оставаясь жидкостью. Таким свойством обладает очень чистая вода, свободная от различных примесей, которые могли бы послужить центрами кристаллизации при ее замерзании.

Зависимость температуры замерзания воды от давления тоже совсем аномальная.

С повышением давления температура замерзания понижается, снижение составляет примерно 1 ° С на каждые 130 атмосфер. В других веществ, наоборот, с ростом давления температура замерзания повышается.

Вода имеет высокое поверхностное натяжение (только ртуть имеет больший показатель), Вода обладает высокой способностью к смачиванию — благодаря этому возможно явление капиллярности, то есть способности жидкости изменять уровень в трубках, узких каналах произвольной формы, пористых телах.

Удивительные свойства приобретает вода в нанотрубках, диаметр которых близок к 1 10’9 м: резко увеличивается ее вязкость и вода приобретает способность не замерзать при температурах, близких к абсолютному нулю. Молекулы воды в нанотрубках при температуре -23 ° С и давлении в 40 тыс., атмосфер самостоятельно выстраиваются в спиральные « лесенки», в том числе в двойные спирали, которые очень напоминают спиральную структуру ДНК,

Поверхность воды имеет отрицательный электрический потенциал, обусловленный накоплением гидроксильных ионов ОН -, Положительно заряженные ионы гидроксония Н30 + привлекаются к отрицательно заряженной поверхности воды, формируя двойной электрический слой.

Горячая вода замерзает быстрее холодной — это парадоксальное явление называется эффектом мемб. Сегодня наука еще не дала ему объяснение,

При -120 ° С с водой начинают происходить странные вещи: она становится тягучей, как патока, а при температуре ниже -135 ° С превращается в « стеклянную » воду — твердое вещество, в котором отсутствует кристаллическая структура.

Вода - самое распространенное и самое загадочное вещество на нашей планете. Она обладает простыми свойствами, известными с древних времен. Именно благодаря этим особенностям ее и называют «основой жизни». Так в чем же «чудесность» этих свойств? Давайте разбираться.

Текучесть. Основное свойство всех жидкостей, и воды - в том числе. Под действием внешних сил она способна принимать форму любого сосуда. И это обеспечивает ее повсеместную доступность. Вода течет в водопроводах, образует озера, реки и моря. И, самое главное, вы всегда можете взять ее с собой в любой удобной упаковке - от маленькой бутылочки до огромной цистерны.

Температурные свойства. Теплая вода легче холодной и всегда поднимается вверх. Поэтому мы можем готовить суп, нагревая кастрюлю только снизу, а не со всех сторон сразу. Благодаря этому явлению, называемому «конвекцией», большинство обитателей земных водоемов живут ближе к поверхности.

Но самым важным из температурных свойств воды является ее высокая теплоемкость - в 10 раз больше, чем у железа. Это значит, что для ее нагревания необходимо большое количество энергии, однако и при остывании энергии выделяется столько же. На этом принципе основаны системы отопления в наших домах - и системы охлаждения, применяемые в промышленности.

Кроме того, моря и океаны играют роль терморегулятора Земли, смягчая сезонные перепады температуры, поглощая тепло летом и отдавая его зимой. А при сочетании теплоемкости и конвекции можно даже обогреть целый континент! Речь идет о «главной батарее Европы», теплом течении Гольфстрим. Гигантские потоки теплой воды, двигаясь по поверхности Атлантики, обеспечивают на ее побережье комфортную температуру, не свойственную для этих широт.

Замерзание. Температура замерзания воды условно равна 0 градусов, но на самом деле этот параметр зависит от ряда факторов: атмосферного давления, емкости, в которую вода помещена, от наличия в ней примесей.

Вода уникальна тем, что, в отличие от других веществ, при замерзании расширяется. При наших суровых зимах, это, пожалуй, можно назвать отрицательным свойством. Замерзая и увеличиваясь в объеме, вода (а точнее, уже лед) просто рвет трубы из металла.

Итак, при переходе в твердое состояние вода увеличивается в объеме, но становится не такой плотной. Поэтому лед всегда легче воды, и находится на ее поверхности. К тому же, он плохо проводит тепло: даже самой холодной зимой в водоемах планеты сохраняется жизнь. Ведь чем толще ледяная «подушка», тем теплее вода под ней. Также, благодаря этому свойству, некоторые народы до сих пор строят так называемые «ледники» - погреба или пещеры, обложенные льдом, который не тает даже летом, и позволяет хранить продукты очень долго.

Некоторые ученые даже предложили использовать лед в борьбе с глобальным потеплением. Суть идеи такова - специальный корабль берет на буксир айсберг, дрейфующий где-нибудь близ Антарктиды. А потом тащит его в теплые края, где люди страдают от жары. Айсберг тает, обеспечивая прохладой целый прибрежный регион. Такой вот «Гольфстрим наоборот», только созданный человеком.

Закипание. От холодного льда перейдем к горячему пару. Всем известно, что вода закипает при температуре в 100 градусов Цельсия. Но это лишь в условиях нормального состава воздуха и атмосферного давления. Зато на вершине Эвереста, где давление ниже, а воздух разрежен, ваш чайник закипит уже при 68 градусах! Кипячение воды способствует тому, что в ней погибают вредные микроорганизмы. А еще продукты, приготовленные на пару, намного более полезны, чем жареные.

К тому же, водяной пар можно назвать настоящим двигателем цивилизации. Еще не прошло и ста лет с эпохи паровых двигателей, и многие до сих пор ошибочно называют железнодорожные локомотивы (работающие сейчас преимущественно на электричестве) «паровозами».

Кстати, об электричестве. Без пара оно до сих пор оставалось бы редкой и дорогой диковинкой. Ведь принцип работы большинства электростанций основан на вращении ротора под давлением горячего пара. Современные атомные станции отличаются от старых угольных или нефтяных только принципом нагрева воды. Даже инновационная и безопасная солнечная энергетика использует пар: огромные зеркала, подобно лупе, фокусируют солнечные лучи на резервуаре с водой, превращая ее в пар для электротурбин.

Растворение. Еще одно важнейшее свойство воды, без которого была бы невозможна не только наука и промышленность, но и сама жизнь! Как думаете, что общего между плазмой крови и вашей любимой газировкой? Ответ прост: газировка - это водный раствор различных солей, минералов и газов. Плазма же состоит на 90% из воды, а также из белков и других веществ. И каждая клетка живого организма получает нужные ей вещества тоже в виде водного раствора.

Вода является самым простым, безопасным, но, тем не менее, самым надежным природным растворителем. Между ее подвижных молекул могут «затесаться» практически любые вещества - от жидкостей до металлов. Это чудесное свойство было замечено еще на заре человечества. Древние художники растворяли в воде природные красители, чтобы рисовать на стенах пещер. Потом эстафету приняли средневековые алхимики, растворяя в воде самые разные вещества в надежде получить «философский камень», превращающий любой материал в золото. А теперь это свойство с успехом используют современные химики.

Поверхностное натяжение. Большинство людей, слыша про поверхностное натяжение воды, вспоминают разве что насекомых-водомерок, скользящих по глади пруда или лужи. А, между тем, без этого свойства воды невозможно даже вымыть руки! Именно благодаря ему образуется мыльная пена. Да и вытереть руки полотенцем без него тоже сложно. Ведь все впитывающие материалы (неважно, бумажная салфетка или ткань из микрофибры) обладают микроскопическими порами, в которые влага впитывается за счет поверхностного натяжения. По этой же причине вода устремляется по тончайшим капиллярам, пронизывающим корни растений. И приготовление сухих строительных смесей также возможно благодаря поверхностному натяжению добавляемой воды.

Молекулы воды активно притягиваются друг к другу, в результате ее поверхность при данном объеме стремится к минимиму. Именно поэтому естественной формой любой жидкости является шар. Это легко можно проверить оказавшись в невесомости. Хотя, для подобного эксперимента не обязательно лететь в космос, просто введите с помощью шприца немного воды в стакан с растительным маслом и наблюдайте, как она соберется в шарики.

Самая чистая вода – в Финляндии, горячая вода замерзает быстрее холодной, вода может замёрзнуть при температуре +20 °C. Все эти и другие интересные факты о воде – читайте в данной публикации.

Воды много, но питьевой мало

Вода охватывает более 70% нашей планеты, причём подавляющее количество воды, является солёной. При всём этом огромнейшем количестве воды на планете, только 3% из всего количества является питьевой. в большинстве своём содержится в грунтовых водах.

Из общего количества воды на планете, 96% – это океаны, 1.5% – это грунтовые воды и 1.5% – ледники.

Вода Финляндии

Учёные провели пробы питьевой воды в 122 государствах, и результаты показали, что самая чистая вода находится в Финляндии, где 80% водных запасов считаются как содержащие исключительно чистую воду. После Финляндии, по результатам проверки, наиболее чистая вода находится в Швейцарии, Швеции и Норвегии. Наша же страна не вошла даже в 10-ку стран с самой чистой водой.

Американцы – расточители воды

По среднестатистическим данным, обычный американец расходует в среднем 90 литров воды в сутки. Из всего этого количества воды большая часть, а это 40%, тратится на промывание туалета. 34% воды у американцев уходит для нужд в ванной: умывание и купание. 21% воды жители штатов расходуют на стирку. И только 5% из 90 литров американцы тратят для приготовления еды.

Горячая замерзает быстрее

Подтверждён тот факт, что горячая вода замерзает быстрее холодной. Попробуйте поместить в разные ёмкости горячую и холодную воду, отправив их в морозильную камеру, и проследите: ёмкость с какой водой быстрее замёрзнет. Вы будете удивлены, но как бы это ни было бы странным, а быстрее замёрзнет горячая вода.

Но самое интересное в этом то, что учёные до сих пор не могут понять, почему так происходит. Одной из самых вероятных версий является то, что горячая вода, в результате кипячения, включает в себе меньше солей из-за оседания, поэтому такая вода быстрее замерзает.

Замёрзшая вода

С водой очень интересно проводить эксперименты. Например, при температуре -120 °C вода становится очень вязкой, клейкой. Если же воду заморозить до -135 °C, то она обретёт характер так называемой «стеклянной воды», когда по своей структуре она напоминает стекло.

Температура замерзания

Все мы знаем, что вода в водопроводной трубе может замёрзнуть только при минусовой температуре. Но если же в воде будет находиться большое содержание метана, молекулы которого влияют на воду, то вода в трубе может замёрзнуть и при температуре в +20 °C, из-за низкого давления жидкости и повышенной температуре её замерзания.

Вода – горит

Могли бы вы себе представить, что вода может гореть? Конечно же, вы скажете, что это невозможно. Тем не менее, этому мнению есть опровержение. В Азербайджане находится одно особенное и удивительное место, в котором на открытой местности горит вода, достаточно преподнести спичку к такой «огненной воде» и она сразу же вспыхнет пламенем.

Особенности солёной воды

Солёная вода имеет свои уровни замерзания и таяния. Так, замерзает солёная вода только при температуре -1.8 °C, а её таяние происходит только при достижении +2.3 °C.

Негативные стороны воды

Вода не только несёт людям добро. Оказывается, что порядка 80% болезней могут передаваться через воду. По этой же причине ежегодно в мире умирает порядка 25 млн человек.

Таянье ледников

Учёные просчитали, что если все ледники, которые находятся на нашей планете, растаяли бы, то 1/8 суши земли оказалась бы под водой, кроме того, уровень воды в мировом океане увеличился бы на 65 метров.

А какие интересные факты о воде знаете вы?

Что касается температуры кипения, то она находится в прямой зависимости от давления : с увеличением давления она возрастает (рис. 6). Это свойство воды раньше использовалось для определения высоты местности в горах. Температура кипения повышается также с увеличением содержания в воде растворенных веществ.
Иная зависимость наблюдается между давлением и точкой замерзания (плавления) воды , с повышением давления она падает (но только до давления 2200 атм). При дальнейшем увеличении давления точка замерзания воды начинает расти: при давлении 3530 атм вода замерзает при минус 17; при 6380 атм - при 0 °С, при 16 500 атм - при 60, а при 20 670 атм - при 76 °С. В последних двух случаях мы уже имеем горячие льды .

Возможно ли существование в земных недрах сочетания таких температур и давлений? В свободно циркулирующих в породах Земли вoдaх, безусловно, нет, так как даже на границе нижней литосферы и верхней мантии, называемой границей Мохоровичича (как мы увидим из дальнейших глав), где давление приблизительно 10 000 атм, температура никак не может быть равна 30 °С, а всегда и везде будет значительно выше. Таким образом, встреча горячего льда здесь исключается.
Выше же границы Мохоровичича совершенно исключаются давления выше 6000 атм, которые необходимы для образования горячего льда.

При давлении 1 атм аномальны точки замерзания (плавления) и кипения воды (соответственно 0 и 100 °С). Если взять ряд соединений водорода с элементами группы VIa периодической системы Менделеева - Н2Те, H2Se H2S и Н2О - с учетом их относительной молекулярной массы, то окажется, что точки замерзания и кипения воды не укладываются в закономерность, общую для трех других соединений, у которых чем больше относительная молекулярная масса, тем выше точки кипения и замерзания. Точка замерзания воды должна была бы находиться между минус 90 и минус 120 °С, а в действительности она приходится на ±0°С . То же самое можно сказать о точке кипения воды, которая должна была бы быть между 75 и 100 °С (рис. 7).

При нормальном давлении вода может «замерзать» и при положительной температуре . Это наблюдается, например, в газопроводе, когда проходящий по нему газ (в основном метан) плохо осушен, т. е. в нем присутствует вода. Объем молекулы газа по сравнению с объемом молекулы воды значительно больше, что приводит к понижению внутреннего давления и к повышению температуры замерзания от нескольких градусов до 20 °С. Выпадающий «лед» содержит много газа (газогидрат).
Сам факт существования воды в обычных для земной поверхности термодинамических условиях во всех трех фазах (твердой, жидкой и газообразной) делает это вещество крайне удивительным и необыкновенным.