Мир воды

СВОЙСТВА  ВОДЫ. 
 

Почему  вода – вода?

    Этот  вопрос совсем не так неразумен, как это может показаться. В самом деле, разве вода – это только та бесцветная жидкость, что налита в стакан?

    Океан, покрывающий почти всю нашу планету, всю нашу чудесную Землю, в которой миллионы лет назад зародилась жизнь, - это вода. Тучи, облака, туманы, несущие влагу всему живому на земной поверхности, - это ведь тоже вода. Бескрайние ледяные пустыни полярных областей, снеговые покровы, застилающие почти половину планеты, - и это вода.

    Прекрасно,  невоспроизводимо бесконечное многообразие  красок солнеч-ного заката, его золотых и багряныхпереливов; торжественны и нежны краски небосвода при восходе солнца. Эта обычная и всегда необыкновенная симфония цвета обязана рассеянию и поглощению солнечного спектра водяными парами в атмосфере. Этот великий художник природу – вода.

    Горные  цепи сложены гиганскими толщами  сотен различных горных пород,  и геологи знают, что большинство  из них созданы величайшем  строителем природы – водой.  Непрерывно изменяется облик  Земли. На месте, где возвышались  высочайшие горы, расстилаются бесконечные равни-ны, их создает великий преобразователь – вода.

    Безгранично  многообразие жизни. Она всюду  на нашей планете. Но жизнь  есть только там, где есть  вода. Нет живого существа, если  нет воды.

    Почему  же одно из бесчисленных химических соединений с простой и ничем не примечательной формулой, состоящее из двух обычных для мироздания элементов, молекула которого состоит всего из трех атомов, - простая окись водорода, самая обычная вода, занимает столь особое место в жизни природы? Чем объясняется такая исключительная роль воды?

    Среди  необозримого множества веществ  вода с ее физико – химическими  свойствами занимает совершенно  особое, исключительное место. И  это надо понимать буквально.  Почти все физико – химические  свойства воды  - исключения в природе. Она действительно самое удивительное вещество на свете. Она удивительна не только многообразием изотопных форм молекулы и не только как неиссякаемый источник энергии. Она удивительна своими самыми обычными свойствами. Простое химическое соединение с простей-шей формулой заняло особое место на нашей чудесной планете благода-ря изумительному сочетанию необычайных свойств. 

Как построена  молекула воды? 

    Как  построена одна молекула воды, теперь известно очень точно.  Она построена вот так:

                                   

Хорошо изучено  и измерено расположение ядер атомов водорода и кислоро-да и расстояние между ними. Оказалось, что молекула воды нелинейна. Вместе с электронными оболочками атомов молекулу воды, если на нее взглянуть “сбоку”, можно было бы изобразить вот так: 

                                      

 а если  взглянуть “сверху” – со стороны атома кислорода, то так:

                                     

т.е геометрически  взаимное расположение зарядов в молекуле воды можно изобразить в виде простого тетраэдра.

    Такое  строение ведет к возникновению  необычайно сильного взаимного  притяжения молекул воды друг  к другу: каждая молекула воды  может обра-зовать четыре одинаковые  водородные связи с другими  молекулами воды.    

    Все  молекулы воды с любым изотопным  составом построены совершенно  одинаково. 

Как построена  молекула льда? 

    Никаких  особых молекул льда нет. Молекулы  воды благодаря своему замечательному  строению соединены в куски  льда друг с другом так, что каждая из них связана и окружена четырьмя другими молекулами. Это приводит к возникновению очень рыхлой структуре льда, в которой остается очень много свободного объема. Правильное кристаллическое строение льда выражается в изумительном изяществе снежинок и в красоте морозных узо-ров на замерзших оконных стеклах. 

При какой  температуре вода должна кипеть? 

    Этот  вопрос, конечно, странен. Ведь  вода кипит при ста градусах. Это знает каждый. Больше того, всем известно, что именно температура  кипения воды при давлении в одну атмосферу и выбрано в качестве опорной точки температурной шкалы, условно обозначенной

    Однако  вопрос поставлен иначе: при  какой температуре вода должна  кипеть? Ведь температуры кипения  различных веществ не случайны. Они зависят от положения элементов, входящих в состав их молекул, в переоди-ческой системе Менделеева.

    Чем  меньше атомный номер элемента, чем меньше его атомный вес,  тем ниже температура кипения  его соединений. Вода по химическому  свойству может быть названа гидридом кислорода. - химические аналоги воды. Если проследить за температурами их кипения и сопоставить, как изменяются температуры кипения гидритов в других группах периоди-ческой системы, то можно довольно точно определить температуру кипения любого гидрита, так же как и любого другого соединения.

    Если  же определить температуру кипения  гидрита кислорода по положе-нию  его в периодической таблице,  то окажется, что вода должна  кипеть при  ниже нуля. Следовательно, вода кипит приблизительно на сто восемьде-сят градусов выше, чем должна кипеть. Температура кипения  воды – это наиболее обычное ее свойство – оказывается необычайным и удивительным.  

При какой  температуре вода замерзает? 

     Не  правда ли, вопрос не менее  странен, чем предыдущий? Ну кто не знает, что вода замерзает при нуле градусов? Это вторая опорная точка термометра. Это самое обычное свойство воды. Но ведь и в этом случае можно спросить, при какой температуре вода должна замерзать в соответствии со своей хими-ческой природой. Оказывается, гидрид кислорода на основании его положе-ния в таблице Менделеева должен был бы затвердевать при ста градусах ниже нуля.

    Вода  на самом деле удивительное  вещество. Ее, пожалуй, даже можно  назвать непослушным веществом.  Она не подчиняется многим физико – химическим закономерностям, справедливым для других соединений, пото-му что взаимодействие ее молекул необычайно велико и требует особенно интенсивное тепловое движение молекул, чтобы преодолеть дополнительное притяжение. Это и приводит к такому неожиданному и резкому повышению температур ее кипения и плавления. 

Сколько существует газообразных состояний  воды? 

    Только  одно – пар. 

Сколько существует жидких состояний воды? 

    На  такой вопрос не так просто  ответить. Конечно, тоже одно –  привычная нам всем жидкая вода. Но вода в жидком состоянии обладает такими необыкновенными свойствами, что приходится задуматься: правилен ли такой, простой, казалось бы не вызывающий никаких сомнений ответ? Вода– единственное в мире вещество, которое после плавления сначала сжимается, а затем по мере повышения температуры начинает расширяться. Эту ред-костную аномалию в свойствах воды объясняют тем, что в действительности жидкая вода представляет собой сложный раствор совершенно необыкновен-ного состава: это раствор воды в воде.

    При  плавлении льда сначала образуются  крупные сложные молекулы воды. Они сохраняют остатки рыхлой  кристаллической структуры льда  и растворены в обычной низкомолекулярной  воде. Поэтому сначала плотность  воды низкая, но с повышением  температуры эти большие молекулы разру-шаются, и поэтому плотность воды снова падает. Если это верно, то возмож-ны несколько состояний воды, только их никто не умеет разделить. И пока неизвестно, удастся ли когда – нибудь это сделать. 

Что должно быть легче – вода или лед? 

    Кто  же этого не знает… Ведь  лед плавает на воде. В океане  плавают гиганские айсберги. Озера  зимой покрываются плавающим  сплошным слоем льда. Конечно,  лед легче воды.

    Но  почему “конечно”?.. Разве это так ясно? Наоборот, объем всех твердых тел при плавлении увеличивается, и они тонут в своем собственном раство-ре. А вот лед плавает в воде. Это свойство воды – аномалия в природе, исключение, и притом совершенно замечательное исключение. 

Сколько существует льдов? 

    В  природе, на нашей Земле – один: обычный лед. Это самый прекрасный из всех минералов. Никакие алмазы не могут сравниться блеском и красотой со снежинками, искрящимися на солнце. Из этого голубовато – зеленого камня сложены на Земле не только горы и колоссальные ледники, им покрыты целые материки. Лед – горная порода с необычайными свлйствами. Он твердый, но течет, как жидкость, и существуют огромные ледяные реки, медленно стекающие с высоких гор. Лед – изменчив – он непрерывно исче-зает и образуется вновь. Лед необычайно прочен и долговечен. 

Что нужно, чтобы лед растаял? 

    Очень  много тепла. Гораздо больше, чем  для плавления такого же колли-чества  любого другого вещества. Исключительно  большое значение скрытой теплоты  плавления – 80 калорий на грамм  льда – так же аномальное свойст-во воды. При замерзании воды такое же колличество тепла снова выделяется.

    Когда  наступает зима, образуется лед,  выпадает снег и вода отдает  обратно тепло, подогревая землю  и воздух. Они противостоят холоду  и суровой зиме, и жестоким  морозам. Именно благодаря этому замечательному свойству воды на нашей планете существует осень и весна. 

Сколько тепла нужно, чтобы лед растаял? 

    Очень  много. Больше чем для нагревания  равного колличества любого другого  вещества. Чтобы нагреть грамм  воды на один градус, необходима одна калория. Это больше чем вдвое превышает теплоемкость любого химического соединения. 

Как вода попадает в облака? 

     Очень  просто. Солнце нагревает воду. Всюду,  где она есть, - в луже, в пруду,  в море, в океане. Вода поглощает в своем верхнем слое почти всю энергию попадающих на нее солнечных лучей и испаряется. Молекулы воды исключительно просты в своем строении и вместе с этим необычайны, отличны от всех других молекул. Они сильно притягиваются друг к другу благодаря силам межмолекулярного притяжения за счет дополнительных водородных связей. Солнцу приходится затрачивать очень много энергии, чтобы превратить ее в пар. Нет ни одного вещества, у которого бы скрытая теплота испарения была бы больше, чем у воды. Вода – лучший теплоно-ситель. Ничто не может сравниться с ней. Ничто не может лучше работать в паровых турбинах электростанций, в цилиндрах паровых двигателей.

    Вода  – гигантский двигатель в природе.  Метеорологи подсчитали, что Солнце  испаряет на земле за одну  минуту миллиард тонн воды. Каждую минуту миллиард тонн водяного пара вместе с восходящими потоками нагре-того воздуха поднимается в верхние слои атмосферы. Каждый грамм водяно-го пара уносит с собой 537 калорий солнечной энергии.

    На  большой высоте, где давление  мало, воздух расширяется, его темпера-тура сильно понижается и водяной пар конденсируется, снова превращаясь в воду,- ее мельчайшие капельки образуют облака.

    Энергия   Солнца, поднятая с водяным паром  вверх, неминуемо должна выделиться  обратно, когда он преврашается в облака. Эта энергия переходит в тепловую, нагревая воздух. Каждую минуту водяной пар отдает атмосфере Земли чудовищно огромное колличество энергии: . Столько энергии за то же время могли бы выработать сорок миллионов электро-станций, по миллиону киловатт каждая. 

Почему  в море вода соленая? 

    Это,  пожалуй, одно из самых важных  следствий  одного из самых  удиви-тельных свойств воды. В  ее молекуле центры положительных  и отрица-тельных зарядов сильно  смещены относительно друг друга.  Поэтому вода обладает исключительно высоким, аномальным значением диэлектрической проницаемости. Для воды Е=80, а для воздуха и вакуума Е=1. Это значит, что два любых разноименных заряда в воде взаимно притягиваются друг к другу с силой в 80 раз меньше чем в воздухе.

    Именно  благодаря аномально высокой  диэлектрической проницаемости  вода – один из сильнейших  растворителей. Она способна растворить  любую горную породу на земной  поверхности. Медленно и неотвратимо  она разру-шает даже гранит, выщелачивая  из них наиболее легко растворимые состав-ные части. Нет в природе такой прочной породы, которая могла бы сопро-тивляться всемогущему разрушителю – воде.

    Ручьи,  речки и реки сносят растворенные  водой примеси в океан. Вода  из океана испаряется и вновь  возвращается на землю, чтобы снова и снова про-должать свою вечную работу. А растворенные соли остаются в морях и океанах.

    Не  думайте, что вода растворяет  и сносит в море только то, что легко растворимо, и что  в морской воде содержиться  только обычная соль, которая стоит на обеденном столе. Нет, морская вода содержит в себе почти все элементы, существующие в природе. В ней есть и магний, и кальций, и сера, и бром, и йод, и фтор. В меньшем колличестве в ней найдены железо, медь, никель, олово, уран, кобальт, даже серебро и золото. Свыше шестидесяти элементов нашли химики в морской воде. Наверное, будут найдены и все остальные. Больше всего в морской воде поваренной соли. Поэтому вода в море соленая.