Две структуры жидкой воды: на переднем плане — тетраэдрическая, на заднем — разупорядоченная

Тетраэдрическая кристаллическая решетка льда: каждая молекула связана с 4-мя другими

Вода — вещество удивительное во многих отношениях. При определенных условиях внутри нанотрубок она может течь даже при температурах, близких к абсолютному нулю. Это единственное на Земле вещество, которое при замерзании расширяется

В целом, сегодня ученые насчитывают 66 «аномальных» свойств, присущих обычной воде. Это — и необычно сильное поверхностное натяжение (сильнее только у ртути), и высокая теплоемкость , и странно меняющаяся плотность (она увеличивается с понижением температуры и достигает максимума примерно при 4 градусах).

Все эти необычные свойства воды бесценны для жизни на Земле. Из-за аномалий плотности водоемы замерзают, начиная с поверхности, и позволяют рыбам и другим их обитателям спокойно зимовать подо льдом. Сильное поверхностное натяжение не только позволяет некоторым насекомым передвигаться по поверхности, но и дает растениям возможность всасывать влагу из почвы и доставлять ее высоко в кроны. А высокая теплоемкость делает температуру мирового океана стабильной, влияя на климат всей планеты.

«Понять природу этих аномалий более чем важно, — говорит Андерс Нильсон (Anders Nilsson), стэнфордский физик, под руководством которого недавно завершилось еще одно интересное исследование, посвященное «странностям» воды, — ведь вода — обязательная основа нашего собственного существования: нет воды — нет жизни. Наша работа позволяет объяснить эти аномалии на молекулярном уровне, при температурах, подходящих для жизни».

То, как организованы молекулы H2O в твердой водной фазе — льде — было установлено довольно давно. Они формируют тетраэдрическую решетку (из пирамид с треугольными сторонами), каждая молекула в которой связана с 4-мя другими. Тут уместно вспомнить отличную статью из январского номера «Популярной Механики», в которой мы рассказывали о снеге и снежинках — о науке и некоторых мифах, связанных с ними. Скажем, правда ли, что каждая снежинка неповторима? Читайте: «Белая магия ».

Но вот с жидкой водой дело оказалось куда сложнее — и интересней. Уже более века структура ее остается предметом самого пристального изучения, самых смелых гипотез и самых жарких дискуссий. Наиболее общепринятая модель, которая описывается сегодня в учебниках, подразумевает, что раз лед обладает тетраэдрической структурой, то и вода должна иметь такую же, только гораздо менее упорядоченную, охватывающую лишь несколько молекул.

Чтобы изучить этот вопрос, Андерс Нильсон с коллегами использовали мощнейшие пучки рентгеновских лучей, полученных на синхротронах SLAC в Стэнфорде и SPring-8 в Японии, направляя их на образцы чистой жидкой воды. Изучив то, как лучи рассеивались этими образцами, ученые пришли к выводу о том, что «тетраэдрическая модель» некорректна. К их удивлению, вода при комнатной температуре одновременно образует 2 вида структур — одна из них высоко упорядоченная тетраэдрическая, а другая — полностью разупорядоченная.

Эти два вида структур существуют в воде как бы по отдельности. Тетраэдрические формируют скопления, объединяя в среднем до 100 молекул, как бы погруженные в регионы с разупорядоченной структурой. Жидкая вода представляет собой постоянно «колеблющуюся» среду, молекулы которой непрерывно переходят из одной структуры в другую — по крайней мере, при температурах от комнатной и почти до точки кипения. По мере роста температуры упорядоченных тетраэдрических структур становится все меньше, однако размеры их, как ни странно, остаются прежними.

«Вы можете представить это, как переполненный ресторан, — поясняет Андерс Нильсон. — Часть людей сидит за большими столами, занимая значительную часть помещения. Это тетраэдрические структуры. Другие танцуют под музыку между столами, кто попарно, кто по 3−4 человека. По мере того, как музыка становится все более заводной (температура растет), танцующие движутся все быстрее. Существует также постоянный «обмен»: одни садятся за столы отдохнуть, другие присоединяются к танцующим. Если музыка достигает определенного накала, целые столы сдвигаются в сторону, а люди с них поднимаются потанцевать. И наоборот, если танец успокаивается, стол возвращается на место, и люди снова усаживаются за него».

Интересно, что такое представление о молекулярной структуре жидкой воды при обычной температуре подкрепляет другие исследования, посвященные необычному «переохлажденному» состоянию воды. В этой необычной форме она не замерзает даже далеко ниже нуля. Обнаружив это интересное состояние, теоретики попытались объяснить его и предложили подходящую модель: молекулярная структура переохлажденной воды должна состоять из двух типов — тетраэдрической и разупорядоченной, соотношение которых зависит от температуры. Словом, все так, как описал Нильсен и его коллеги.

Какие же выводы об аномалиях воды можно сделать, исходя из модели, полученной учеными? Возьмем, к примеру, плотность. Молекулы, организованные в тетраэдрические структуры, менее плотно упакованы, чем в разупорядоченных, и эта плотность упаковки в них почти не зависит от температуры. А в разупорядоченных она хотя и выше, но меняется: при повышении температуры плотность снижается, поскольку молекулы начинают «танцевать» активнее, а значит — и чуть дальше друг от друга. Итак, при повышении температуры большая часть молекул переходит в разупорядоченные структуры, и сами эти структуры становятся менее плотными. Это объясняет и очень высокую теплоемкость воды. Энергия, которая поглощается водой с ростом температуры, в значительной степени расходуется на переход молекул из тетраэдрических структур в разупорядоченные.

7. Аномалии воды

Химически чистая вода обладает рядом свойств, резко отличающих ее от других природных тел и химических аналогов (гидридов элементов 6 группы периодической системы Менделеева) и от других жидкостей. Эти особые свойства известны под названием аномалии воды.

Исследуя воду и, особенно ее водные растворы, ученые раз за разом убеждались, что вода обладает ненормальными -- аномальными свойствами, присущими только ей, ее Величеству -- Воде, подарившей нам Жизнь и возможность мыслить. Мы даже и не подозреваем, что столь привычные и естественные свойства воды в природе, в различных технологиях, наконец, в обыденной жизни нашей являются уникальными и неповторимыми.

Плотность

Для всей биосферы исключительна важной особенностью воды является ее способность при замерзании увеличивать, а не уменьшать свой объем, т.е. уменьшать плотность. Действительно, при переходе любой жидкости в твердое состояние молекулы располагаются теснее, а само вещество, уменьшаясь в объеме, становится плотнее. Да, для любой из необозримо разных жидкостей, но не воды. Вода здесь представляет исключение. При охлаждении вода сначала ведет себя как и другие жидкости: постепенно уплотняясь, уменьшает свой объем. Такое явление можно наблюдать до +3,98°С. Затем, при дальнейшем снижении температуры до 0°С, вся вода замерзает и расширяется в объеме. В результате удельный вес льда становится меньше воды и лед плавает. Если бы лед не всплывал, а тонул, то все водоемы (реки, озера, моря) промерзли бы до дна, испарение бы резко сократилось, все пресноводные животные и растения погибли бы. Жизнь на Земле стала бы невозможной. Вода -- единственная жидкость на Земле, лед которой не тонет за счет того, что его объем на 1/11 больше объема воды.

Поверхностное натяжение

Благодаря тому, что круглые шарики воды очень упруги, идет дождь, выпадает роса. Что же это за удивительная сила, которая сохраняет капли росы, а поверхностный слой воды в любой лужице делает эластичным и относительно прочным?

Известно, что если стальную иголку осторожно положить на поверхность воды, налитой в блюдце, то иголка не тонет. А ведь удельная масса металла значительно больше, чем у воды. Молекулы воды связаны силой поверхностного натяжения, которая позволяет им подниматься вверх по капиллярам, преодолевая силу земного притяжения. Без этого свойства воды жизнь на Земле была бы также невозможна.

Теплоемкость

Ни одно вещество в мире не поглощает и не отдает среде столько тепла, сколько вода. Теплоемкость воды в 10 раз больше теплоемкости стали и в 30 раз больше ртути. Вода сохраняет тепло на Земле.

С поверхности морей, океанов, суши испаряется за год 520000 кубических километров воды, которые, конденсируясь, отдают много тепла холодным и полярным регионам.

Вода в организме человека составляет 70-90%. от веса тела. Не обладай вода такой теплоемкостью, как сейчас, обмен веществ в теплокровных и холоднокровных организмах был бы невозможен.

Легче всего вода нагревается и быстрее всего охлаждается в своеобразной "температурной яме", соответствующей +37°С, температуре человеческого тела.

Есть ещё несколько аномальных свойств воды:

Ни одна жидкость не поглощает газы с такой жадностью, как вода. Но она их также легко отдает. Дождь растворяет в себе все ядовитые газы атмосферы. Вода - ее мощный природный фильтр, очищающий атмосферу от всех вредных и ядовитых газов. Еще одно удивительное свойство воды проявляется при воздействии на нее магнитного поля. Вода, подвергнутая магнитной обработке, меняет растворимость солей и скорость химических реакций.

Но самое удивительное свойство воды - это свойство практически универсального растворителя. И если какие-то вещества в ней не растворяются, то и это для жизни сыграло громадную роль в эволюции: скорее всего именно гидрофобным свойствам первичных биологических мембран и обязана жизнь своим появлением и развитием в водной среде.

Вода известная и неизвестная. Память воды

Бромная вода -- насыщенный раствор Br2 в воде (3,5% по массе Br2). Бромовая вода -- окислитель, бромирующий агент в аналитической химии. Аммиачная вода -- образуется при контакте сырого коксового газа с водой...

Вода как реагент и как среда для химического процесса (аномальные свойства воды)

Роль воды в нынешней науке и технике очень велика. Вот только часть областей применения воды. 1. В сельском хозяйстве для полива растений и питания животных 2. В химической промышленности для получения кислот, оснований, органических веществ. 3...

Вода, дарующая жизнь

Вода представляет собой важнейшее химическое соединение, определяющее возможность существования жизни на Земле. Ежедневное потребление человеком питьевой воды составляет в среднем около 2 л...

Водород - топливо будущего

Следующей проблемой, где невесомость вновь заявила о себе, стала проблема отвода образующейся в топливном элементе воды. Если ее не удалять, она покроет электрод пленкой и затруднит к нему доступ для газа...

Информационно-структурная память воды

Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Так как масса и заряд ядра кислорода больше чем у ядер водорода, то электронное облако стягивается в сторону кислородного ядра...

Определение жесткости воды комплексонометрическим методом

Ввиду широкой распространенности кальция, соли его почти всегда содержатся в природной воде. Из природных солей кальция только гипс несколько растворим в воде, однако, если вода содержит диоксид углерода...

Расчет и подбор выпарной установки

Gв определяют из теплового баланса конденсатора: Gв=W3(hбк-cвtк)/cв(tk-tн), где hбк - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе; tн = 200С - начальная температура охлаждающей воды; Cв =4...

Расчет и проектирование двухкорпусной выпарной установки

Расход охлаждающей воды GВ определяют из теплового баланса конденсатора: , где IБК - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж?кг; tн - начальная температура охлаждающей воды, 0С...

Сорбционная очистка воды

В производстве устанавливается в зависимости от требований технологического процесса. Вода, используемая в производстве...

Сорбционная очистка воды

Для предупреждения развития бактериальных биологических обрастаний в теплообменных аппаратах, а также в трубопроводах рекомендуется периодически 3-4 раза в сутки применять хлорирование воды, продолжительностью каждого периода 40-60 минут...

Сорбционная очистка воды

Одним из наиболее распространенных видов кондицирования воды является её умягчение. Первым промышленным способом устранения солей жесткости был содово-известковый...

Сульфат кальция, кристаллогидрат и безводная соль

Удивительное вещество - вода

Гидроломгия -- наука, изучающая природные воды, их взаимодействие с атмосферой и литосферой, а также явления и процессы, в них протекающие (испарение, замерзание и т. п.). Предметом изучения гидрологии являются все виды вод гидросферы в океанах...

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Введение

Вода в нашей жизни - самое обычное и самое распространенное вещество. Однако с научной точки зрения это самая необычная, самая загадочная жидкость. Пожалуй, только жидкий гелий может соперничать с ней. Но необычные свойства жидкого гелия (такие, как сверхтекучесть) проявляются при очень низких температурах (вблизи абсолютного нуля) и обусловлены специфическими квантовыми законами. Поэтому жидкий гелий - это экзотическое вещество. Вода же в нашем сознании является прообразом всех жидкостей, и тем более удивительно, когда мы называем ее самой необычной. Но в чем же заключается необычность воды? Дело в том, что трудно назвать какое-либо ее свойство, которое не было бы аномальным, то есть ее поведение (в зависимости от изменения температуры, давления и других факторов) существенно отличается от такового у подавляющего большинства других жидкостей, у которых это поведение похоже и может быть объяснено из самых общих физических принципов. К таким обычным, нормальным жидкостям относятся, например, расплавленные металлы, сжиженные благородные газы (за исключением гелия), органические жидкости (бензин, являющийся их смесью, или спирты).Вода имеет первостепенное значение при большинстве химических реакций, в частности и биохимических. Древнее положение алхимиков - «тела не действуют, пока не растворены» - в значительной степени справедливо. Человек и животные могут в своем организме синтезировать первичную ("ювенильную") воду, образовывать ее при сгорании пищевых продуктов и самих тканей. У верблюда, например, жир содержащийся в горбу, может путем окисления дать 40 л воды. Связь между водой и жизнью стольвелика, что даже позволила В. И. Вернадскому «рассматривать жизнь, как особую коллоидальную водную систему... как особое царство природных вод». Вода - вещество привычное и необычное. Известный советский ученый академик И.В.Петрянов свою научно - популярную книгу о воде назвал “Самое необыкновенное вещество в мире”. А доктор биологических наук Б.Ф.Сергеев начал свою книгу “Занимательная физиология” с главы о воде - “Вещество, которое создало нашу планету”. Ученые правы: нет на Земле вещества более важного для нас, чем обыкновенная вода, и в то же время не существует другого такого же вещества, в свойствах которого было бы столько противоречий и аномалий, сколько в её свойствах.

Аномалия плотности

Аномалия плотности, заключающаяся в том, что плотность льда меньше, чем у жидкой воды, и максимум плотности около 4 С объясняются внутренней структурой воды. При плавлении льда нарушается его регулярная структура и часть комплексов разрушается. В воде наряду с участками, имеющими структуру, аналогичную кристаллической решетке льда, появляются одиночные молекулы. Нарушение регулярной структуры сопровождается повышением плотности и уменьшением объема, так как одиночные молекулы воды заполняют полости, сохранившиеся в участках с льдоподоб-ной структурой. С повышением температуры проявляется действие двух факторов: теплового расширения и нарушения регулярной структуры льда. Тепловое расширение, сопровождающееся незначительным увеличением объема, связано с уменьшением упорядоченности расположения молекул. При 4 С эти два фактора одинаковы по абсолютной величине, но противоположны по направленности действия. При дальнейшем повышении температуры снижается действие второго фактора, сильнее проявляется действие теплового расширения и плотность воды уменьшается.

Аномалия плотности воды имеет большое влияние на климат планеты, а также на жизнь животных и растений. Когда вода рек, озер и морей охлаждается ниже 4, она становится легче и не идет ко дну, а остается на поверхности, где и замерзает. При этой температуре возможна жизнь. Если бы плотность льда была больше плотности воды, то по мере образования лед шел бы ко дну и океаны целиком замерзали, поскольку тепла, получаемого от Солнца в теплое время, было бы недостаточно для их оттаивания.

Аномалия плотности воды имеет огромное значение для жизни живых существ, населяющих замерзающие водоемы. Поверхностные слои воды при температурах ниже 4 С не опускаются на дно, поскольку при охлаждении они становятся более легкими. Поэтому верхние слои воды могут затвердевать, в то время как в глубинах водоемов сохраняется температура 4 СС. В этих условиях жизнь продолжается.

Аномалию плотности пытаются, следовательно, объяснить наибольшей плотностью дигидрольной воды.

Чем объясняется аномалия плотности воды.

Одно из объяснений аномалии плотности воды заключается в том, что ей приписывается тенденция к ассоциации ее молекул, которые образуют различные группы [ Н2О, (Н2О) 2, (Н2О) 3 ], удельный объем которых

различен при разных температурах различны и концентрации этих групп, следовательно, различен и их общий удельный объем.

Первое из них означает, что аномалии плотности, возникающие благодаря движению, не создают потока теплачерез нижнюю гращу. На верхней границе плотность задается, а на берегу (х 0) нормальная компонента горизонтального потока тепла считается равной нулю. Скорости и и и на берегу должны обращаться в нуль в силу условий непротекания и прилипания. Приближение гидростатики, однако так сильно упрощает динамику, что условие прилипания для и; не может быть выполнено.

Для третичных и вторичных спиртов характерна аномалия плотности паров при высоких температурах (определение по В. Третичные спирты (до Cj2) дают при температуре кипения нафталина (218е) лишь половинное значение молекулярного веса, вследствие их разложения на воду и алкилены; вторичные спирты (до С9) проявляют такую же аномалию, но.

Положительный знак работы приходится относить за счет аномалии плотности воды.

Если, как утверждает Гребе а, работы Сент-Клер Девиля способствовали, с одной стороны, объяснению замеченных аномалий плотностей паров и тем самым, хотя и косвенно, подтверждали теорию Авогадро, то, с другой

стороны, эти работы послужили стимулом для изучения химического сродства, поскольку способствовали выяснению природы определенных реакций.

Для воды уравнение (64) дает правильные результаты до температуры 4, так как она, как известно, имеет аномалию плотности. При 4 плотность воды наибольшая, ниже 4 наблюдается сложное распределение плотности, не учитываемое этим уравнением.

В силу (8.3.56) параметр X является мерой отношения (L / LH) 2 и неравенство (8.3.19 а) означает просто, что аномалии плотности, создаваемые даижением, перемешиваются на масштабе, малом по сравнению с L.

При наличии основной стратификации положительный ротор касательного напряжения ветра и связанное с ним вертикальное движение во внутренней области создают во всей этой области положительную аномалию плотности, к которой добавляется аномалия плотности из-за притока тепла на поверхности.

Если связи внутри полиэдров много сильнее, чем между полиэдрами, то только эти последние будут разупорядочены в расплаве, так что в расплаве будут существовать единицы в виде полиэдров. Некоторые аномалии плотности в жидких сплавах А1 - Fe, видимо, поддерживают эту гипотезу.

Формулировка задачи на устойчивость такого основного состояния будет дана для случая зонального течения в атмосфере. Случай океана может рассматриваться как частный случай задачи для атмосферы во всем, что касается формулировки проблемы и получается простой заменой стандартного профиля плотности ps (z) постоянным значением плотности и заменой аномалии атмосферной потенциальной температуры в аномалией океанской плотности, взятой со знаком минус.

Повышение давления смещает максимальную плотность воды в сторону более низких температур. Так, при 50 атм максимальная плотность наблюдается около О С. Выше 2000 атм аномалия плотности воды исчезает.

Таким образом, в широком интервале температур наиболее энергетически устойчивое соединение водорода и кислорода - вода. Она образует на Земле океаны, моря, льды, пары и туман, в большом количестве содержится в атмосфере, в толщах пород вода представлена капиллярной и кристаллогидратной формами. Такая распространенность и необычность свойств (аномалия плотности воды и льда, полярность молекул, способность к электролитической диссоциации, к образованию гидратов, растворов и др.)

делают воду активным химическим агентом, по отношению к которому обычно рассматривают свойства большого числа других соединений.

Жидкости, как правило, заметно расширяются при нагревании. У некоторых веществ (например, у воды) имеет место характерная аномалия в значениях изобарного коэффициента расширения. При более высоких давлениях максимум плотности (минимум удельного объема) сдвигается в сторону меньших температур, а при давлениях выше 23 МПа аномалия плотности у воды исчезает.

Эта оценка обнадеживает, поскольку величина Ба находится в неплохом соответствии с наблюдаемой глубиной термоклина, которая изменяется от 800 м в средних широтах до 200 м в тропической и полярной зонах. Так как глубина 50 значительно меньше глубины океана, представляется разумным рассматривать термоклин как пограничный слой; в соответствии с этим при постановке граничного условия на нижней границе можно считать, что температура на глубинах, больших БО, асимптотически стремится к некоторому горизонтально однородному распределению. Поскольку масштаб г уже равен D, удобно перенести начало координат на поверхность и измерять г от поверхности океана. Таким образом, при z - - аномалия плотности должна затухать, а идолжна стремиться к неизвестному пока асимптотическому значению, точно так же как вертикальная скорость, создаваемая на нижней границе экмановского слоя, не может быть задана априори.

Постоянные УП должны определяться из условий на граище. В гидростатическом слое вследствие больших градиентов плотности, создаваемых вертикальным движением (Ла S / Е) ус намного превосходит vj по величине. Вместе с тем v должно удовлетворять условию прилипания при f х О. Vn равны нулю и, следовательно, сам. Указанная трудность разрешается, если вспомнить, что во внутренней области вертикальное перемешивание плотности уравновешивает эффект вертикального движения, а в гидростат тическом слое аномалия плотности, создаваемая вертикальным движением, балансируется только эффектом горизонтального перемешивания. Таким образом, должна существовать промежуточная область между внутренней областью и гидростатическим слоем, в которой вертикальная и горизонтальная диффузии одинаково важны. Как показывает (8.3.20), эта область имеет горизонтальный масштаб Lff, так что рассчитанное с этим масштабом А равно единице.

Как известно, вода, при нагревании от нулевой температуры, сжимается, достигая наименьшего объема и, соответственно, наибольшей плотности при температуре 4 С. Исследователи из Техасского университета предложили объяснение, в котором учитывается не только взаимодействие ближайших молекул воды, но и более удаленных. Во всех 10-ти известных формах льда и в воде взаимодействие ближайших молекул происходит одинаковым образом. Иначе обстоит дело со взаимодействием более удаленных молекул. В жидкой фазе, в том интервале температур, где имеется аномалия плотности, более устойчивым является состояние с большей плотностью. Кривая зависимости плотности от температуры, которую ученые рассчитали, похожа на ту, что наблюдается для воды.

Чистая вода прозрачна и бесцветна. Она не имеет ни запаха, ни вкуса. Вкус и запах воде придают растворенные в ней примесные вещества. Многие физические свойства и характер их изменения у чистой воды аномальны. Это относится к температурам плавления и кипения, энтальпиям и энтропиям этих процессов. Аномален и температурный ход изменения плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4 С. Выше и ниже этой температуры плотность воды уменьшается. При отвердевании происходит дальнейшее резкое уменьшение плотности, поэтому объем льда на 10 % больше равного по массе объема воды при той же температуре. Все указанные аномалии объясняются структурными изменениями воды, связанными с возникновением и разрушением межмолекулярных водородных связей при изменении температуры и фазовых переходах. Аномалия плотности воды имеет огромное значение для жизни живых существ, населяющих замерзающие водоемы. Поверхностные слои воды при температуре ниже 4 С не опускаются на дно, поскольку при охлаждении они становятся более легкими. Поэтому верхние слои воды могут затвердевать, в то время как в глубинах водоемов сохраняется температура 4 С. В этих условиях жизнь продолжается.

Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение

Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости, также как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако, время от времени любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком (рис. 1)

Молекула воды H2O состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, расположенных под углом 104°. Среднее расстояние между молекулами пара в десятки раз превышает среднее расстояние между молекулами воды. Вследствие плотной упаковки молекул сжимаемость жидкостей, т. е. изменение объема при изменении давления, очень мала; она в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем в газах. Например, для изменения объема воды на 1 % нужно увеличить давление приблизительно в 200 раз. Такое увеличение давления по сравнению с атмосферным достигается на глубине около 2 км.

Жидкости, как и твердые тела, изменяют свой объем при изменении температуры. Для не очень больших интервалов температур относительное изменение объемаДV / V0 пропорционально изменению температуры ДT:

Коэффициент в называют температурным коэффициентом объемного расширения. Этот коэффициент у жидкостей в десятки раз больше, чем у твердых тел. У воды, например, при температуре 20 °С вв? 2·10-4 К-1, у стали вст? 3,6·10-5 К-1, у кварцевого стекла вкв? 9·10-6 К-1.

имеет интересную и важную для жизни на Земле аномалию. При температуре ниже 4 °С вода расширяется при понижении температуры (в < 0). Максимум плотности св = 103 кг/м3 вода имеет при температуре 4 °С.

Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности. Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости (силами, действующими на данную молекулу жидкости со стороны молекул газа (или пара) можно пренебречь). В результате появляется некоторая равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Поверхностные молекулы силами межмолекулярного притяжения втягиваются внутрь жидкости. Но все молекулы, в том числе и молекулы пограничного слоя, должны находиться в состоянии равновесия. Это равновесие достигается за счет некоторого уменьшения расстояния между молекулами поверхностного слоя и их ближайшими соседями внутри жидкости. Как видно из рис. 1, при уменьшении расстояния между молекулами возникают силы отталкивания. Если среднее расстояние между молекулами внутри жидкости равно r0, то молекулы поверхностного слоя упакованы несколько более плотно, а поэтому они обладают дополнительным запасом потенциальной энергии по сравнению с внутренними молекулами (см. рис. 2). Следует иметь ввиду, что вследствие крайне низкой сжимаемости наличие более плотно упакованного поверхностного слоя не приводит к сколь-нибудь заметному изменению объема жидкости. Если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (т. е. увеличить площадь поверхности жидкости), внешние силы должны совершить положительную работу ДAвнеш, пропорциональную изменению ДS площади поверхности:

ДAвнеш = уДS.

Коэффициент у называется коэффициентом поверхностного натяжения (у > 0). Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу.

В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м2) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м2).

Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией. Потенциальная энергия Eр поверхности жидкости пропорциональна ее площади:

Eр = Aвнеш = уS.

вода аномалия плотность натяжение

Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (т. е. от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.

Некоторые жидкости, как, например, мыльная вода, обладают способностью образовывать тонкие пленки. Всем хорошо известные мыльные пузыри имеют правильную сферическую форму - в этом тоже проявляется действие сил поверхностного натяжения. Если в мыльный раствор опустить проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна, то вся она затянется пленкой жидкости (рис. 3).

Силы поверхностного натяжения стремятся сократить поверхность пленки. Для равновесия подвижной стороны рамки к ней нужно приложить внешнюю силу Если под действием силы перекладина переместится на Дx, то будет произведена работа ДAвн = FвнДx = ДEp = уДS, где ДS = 2LДx - приращение площади поверхности обеих сторон мыльной пленки. Так как модули сил и одинаковы, можно записать:

Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения у может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность.

Заключение

Вода -- самое изученное вещество на Земле. Но это не совсем так. Например, недавно ученые обнаружили, что вода способна нести информацию, которая стирается, если воду сначала заморозить, а затем разморозить. Также, ученые не могут объяснить тот факт, что вода способна воспринимать музыку. Например, при прослушивании Чайковского, Моцарта, Баха и последующей заморозке образуются кристаллы правильной формы, а после тяжелого рока нечто бесформенное. То же самое наблюдается при сравнении матери Терезы и Гитлера; слов «любовь»,«надежда» и слова «дурак». Кроме того, ученые сравнивали и энергетику воды, и оказалось, что вода со столовых гор Африки заряжена намного сильнее, чем вода из крана, а вода в огромных бутылках, какая бы она не была чистая, мертва. Еще, как бы то ни было парадоксально, без воды невозможно горение! Ведь вода содержится везде и очень многое из это говорит. Если из бензина удалить всю воду, то он абсолютно перестанет гореть. И даже сама вода горит!!! Правда не так интенсивно, но все же факт остаётся фактом.

Многим известно, что вода способна образовывать очень устойчивое соединение с нефтью, которое не годится для переработки. Но российские ученые придумали способ их разделения. Для этого на нефтяной субстрат воздействовали электромагнитным полем в течение недели. И по ее истечении он разделился на нефть и воду. Но самое интересное то, что частота поля была равна частоте биотоков сердца.

Гидросфера -- водная оболочка Земли: 3/4 поверхности планеты покрыты водой Общий объем водных запасов 1 400 000 000 км3,из них:

97 % -- соленая вода Мирового океана;

2,2 % -- ледники покровные и горные и плавающие льды;

Детальные геологические замеры показали, что за 80-100 млн. лет вся земная суша сносится водным стоком в Мировой океан. Движущая сила этого процесса -- круговорот воды в природе -- один из главных планетарных процессов.

Под действием солнечной энергии Мировой океан испаряет около 1 млрд. тонн воды в минуту. Поднимаясь в верхние холодные слои атмосферы, водяной пар конденсируется в микрокапли, которые постепенно укрупняются и образуют облака. Средний срок жизни облака 8-9дней. За это

время ветер может переместить его на 5-10 тыс.км, поэтому значительная часть облаков оказывается над сушей.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Физические свойства воды, температура ее кипения, таяние льда. Занимательные опыты с водой, познавательные и интересные факты. Измерение коэффициента поверхностного натяжения воды, удельной теплоты плавления льда, температуры воды при наличии примесей.

творческая работа , добавлен 12.11.2013

Структурное строение молекул воды в трех ее агрегатных состояниях. Разновидности воды, её аномалии, фазовые превращения и диаграмма состояния. Модели структуры воды и льда а также агрегатные виды льда. Терпературные модификации льда и его молекул.

курсовая работа , добавлен 12.12.2009

Исследование структурных свойств воды при быстром переохлаждении. Разработка алгоритмов моделирования молекулярной динамики воды на основе модельного mW-потенциала. Расчет температурной зависимости поверхностного натяжения капель воды водяного пара.

дипломная работа , добавлен 09.06.2013

Изучение явления поверхностного натяжения и методика его определения. Особенности определения коэффициента поверхностного натяжения с помощью торсионных весов. Расчет коэффициента поверхностного натяжения воды и влияние примесей на его показатель.

презентация , добавлен 01.04.2016

Водородная связь в воде. Абсолютно чистой воды на Земле нет как следствие и проблема. Плотность воды и льда. Грубодисперсные, коллоидные, молекулярные, ионные примеси в воде, их опасность и последствия отложений. Вода как сильный полярный растворитель.

лекция , добавлен 10.12.2013

Значение воды в природе и жизни человечества. Изучение ее молекулярного строения. Использование воды как уникального энергетического вещества в системах отопления, водяных реакторах АЭС, паровых машинах, судоходстве и как сырья в водородной энергетике.

статья , добавлен 01.04.2011

Физические и химические свойства воды. Распространенность воды на Земле. Вода и живые организмы. Экспериментальное исследование зависимости времени закипания воды от ее качества. Определение наиболее экономически выгодного способа нагревания воды.

курсовая работа , добавлен 18.01.2011

Исторические сведения о воде. Круговорот воды в природе. Виды образования от разных изменений. Скорость обновления воды, ее типы и свойства. Вода как диполь и растворитель. Вязкость, теплоемкость, электропроводность воды. Влияние музыки на кристаллы воды.

реферат , добавлен 13.11.2014

Принцип работы тахометрического счетчика воды. Коллективный, общий и индивидуальный прибор учета. Счетчики воды мокрого типа. Как остановить, отмотать и обмануть счетчик воды. Тарифы на холодную и горячую воду для населения. Нормативы потребления воды.

контрольная работа , добавлен 17.03.2017

Распространенность, физическая характеристика и свойства воды, ее агрегатные состояния, поверхностное натяжение. Схема образования молекулы воды. Теплоёмкость водоёмов и их роль в природе. Фотографии замороженной воды. Преломление изображения в ней.

Положительный знак работы приходится относить за счет аномалии плотности воды.

Вода. Аномальные свойства воды и их причины

Покольку вода является универсальным растворителем, рассмотрим свойства воды. Самое распространенное вещество на земле - ϶ᴛᴏ вода. Почти 3\4 поверхности земного шара покрыта водой. Она является средой в которой протекают химические процессы в живых организмах и сама же принимает участие в биохимических процессах.

Вода главный катализатор всех жизненных процессов. Наш организм на 65-75% состоит из воды. Суточная потребность человека в воде составляет от 2 до 6 л и зависимость от нее намного сильнее чем от пищи. Многие пищевые продукты (овощи, фрукты, молоко, мясо) на 95-65% состоят из воды. Человечество широко использует для своих нужд природную воду. Основная часть воды приходится на Мировой океан. Запасы пресной воды, доступной для использования, составляют 0,15% объема гидросферы.

Физические свойства. Это жидкость без цвета и запаха. Рассмотрим особенности физико- химических свойств (аномалии ) воды.

1. У воды аномально высокая полярность как растворителя.

µ = 1,84·10 -29 Клм (у Н 2 S - µ = 0,93·10 -29 Клм).

2. Вода имеет аномально высокую теплоемкость с = 75,3 Дж/моль К, у спирта в 1.5 раза больше, в связи с этим в ночное время и при переходе от лета к зиме она остывает медленно, а при обратном переходе нагревается медленно, т.о. регулируя температуру на земном шаре. При нагревании любого вещества кроме воды от 0 до 37 о С теплоемкость увеличивается, а у воды уменьшается, далее увеличивается. Именно при 37 о С организм затрачивает меньше энергии для поддержания температуры тела.

3. Аномально высокие температура Тпл = 0 о С и температура Ткип = 100 о С по сравнению с аналогами.

4. При 0 о С вода замерзает. Плотность льда меньше чем у воды. При этом объем льда увеличивается на 9% .У других веществ уменьшается.

5. Плотность воды при переходе из твердого состояния в жидкое не уменьшается, а увеличивается. При нагревании воды от 0 до 4 о С ее плотность также увеличивается. Плотность воды достигает максимального значения при 4 о С - ρ = 0,998г/см 3 .

Аномалии связаны со строением молекулы воды и образованием водородной связи между ними.

Молекула воды имеет угловое строение. Атом кислорода в молекуле воды находится в состоянии sp 3 - гибридизации. По этой причине валентный угол близок к тетраэдрическому (109 о 28 ").

Образование водородной связи приводит к ассоциации молекул. Каждый атом кислорода принимает участие в образовании двух водородных связей. Молекулы при кристаллизации образуют слои, причем каждая связана с тремя молекулами в этом слое и с одной из соседнего. Это приводит к образованию пустот.

При плавлении льда разрушается лишь часть водородных связей и объем воды уменьшается. При 0 о С вода содержит остатки структуры льда. От 0 до 4 о С плотность воды увеличивается за счет разрушения льда.

Высокая теплоемкость воды объясняется затратой тепла на разрыв водородных связей.

Химические свойства . Молекула Н 2 O устойчива к нагреванию. При температуре выше 1000 о С она подвергается термической диссоциации, ᴛ.ᴇ. разложению

Н 2 O ↔ 2 Н 2 + О 2

Этот процесс протекает с поглощением тепла.

Вода очень реакционноспособное вещество. Оксиды многих металлов и неметаллов соединяются с Н 2 O образуя:

СаО + Н 2 O = Са(ОН) 2

SО 3 + Н 2 O = Н 2 SО 4

Активные металлы реагируют с водой с выделением Н 2.

Вода образует соединения с веществами не обладающими химической активностью (гидрат ксенона – Хе 6 Н 2 O). Хе заполняет межмолекулярное пространство в структуре Н 2 O, образуя соединения, которые называются клатратами .