Аномальные состояния воды
Аномалия плотности
По всем законам физики лед должен быть тяжелее воды. Объём всех твёрдых тел при плавлении увеличивается, и они тонут в собственном расплаве.'Но лед этому правилу не подчиняется. Это свойство воды — аномалия в природе, исключение. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 4 °С плотность её также увеличивается. При 4 °С вода имеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании её плотность уменьшается. Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность воды изменялась бы так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались бы до О'С и опускались на дно, освобождая место более тёплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоёма не приобрела бы температуру 0°С. Далее, вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно, и водоём промерзал бы на всю глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотности вода достигает ори 4 'С, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлаждённый слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает'и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания. Вода — единственное в мире вещество, которое после плавления сначала сжимается, а потом, по мере повышения температуры начинает расширяться. Эту редкостную аномалию в свойствах воды объясняют тем, что в действительности жидкая вода представляет собой сложный раствор необычного 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 разрушаются, и поэтому плотность воды растёт, пока не начнёт преобладать обычное термическое расширение, при котором плотность воды снова падает. Такое необычное свойство воды имеет огромное значение для жизни. В водоёмах перед наступлением зимы постепенно охлаждающаяся вода опускается вниз, пока температура всего водоёма не достигнет четырёх градусов. При дальнейшем охлаждении более холодная вода остаётся сверху и всякое перемешивание прекращается. В результате создаётся своеобразное положение: тонкий слой холодной воды становится как бы «тёплым одеялом» для всех обитателей водоёма. При четырёх градусах они чувствуют себя явно неплохо.
Аномалия поверхностного натяжения
Известно, что молекулы, находящиеся на поверхности жидкости, имеют избыток потенциальной энергии и поэтому стремятся втянуться внутрь так, что при этом на поверхности остается незначительное количество молекул. За счет этого
вдоль поверхности жидкости всегда действует сила, стремящаяся сократить поверхность. Это явление в физике получило название поверхностного натяжения жидкости. Среди существующих в природе жидкостей поверхностное натяжение воды уступает только ртути. С поверхностным натяжением воды связано ее сильное смачивающее действие (способность «прилипать» к поверхности многих твердых тел). Кроме того, вода является универсальным растворителем. Теплота ее испарения выше теплоты испарения любых других жидкостей, а теплота кристаллизации уступает лишь аммиаку. При всех своих уникальных свойствах вода все же не имеет способностей смачивать другие тела. Она с трудом смачивает металлы, совершенно не смачивает жирные поверхности. Водой не намочишь парафин. Капли воды скатываются с поверхности многих полимерных материалов: тефлона, полиэтилена и других. Спирт же, или, например, керосин очень хорошо смачивают почти любые тела. Это объясняется тем, что силы взаимодействия между молекулами воды так необычайно велики, что вода собирается в капли там, где все остальные жидкости растекаются. Это свойство воды доставляет много неудобств в обыденной жизни и в технике: загрязнённые жиром или маслами руки водой не отмоешь. Из за этого и было изобретено мыло. Химиками было синтезировано много специальных веществ-«смачивателей», которые очень широко применяются в технике, чтобы воду сделать «мокрее».
Исключительно большим поверхностным натяжением воды объясняется ее ещё одна замечательная особенностью — течь вверх. Это происходит всегда и повсеместно. Поднимаясь вверх в почве, вода смачивает всю толщу земли от уровня фунтовых вод. Поднимаясь вверх по капиллярным сосудам дерева, помогает растению доставлять растворённые питательные вещества на большую высоту — от глубоко скрытых в земле кор-| к'И к листьям й плодам. Вода сама движется вверх по ткани полотенца при вытирании им. В очень тонких трубочках — в капиллярах — вода может подняться на высоту нескольких метров. Молекулы воды на её поверхности испытывают действие сил межмолекулярного притяжения только с одной стороны, а у воды это взаимодействие аномально велико. Поэтому каждая молекула на её поверхности втягивается внутрь жидкости. В результате возникает сила, стягивающая поверхность жидкости. У воды она особенно велика. Эта сила и придаёт мыльному пузырю, падающей капле и любому количеству жидкости в условиях невесомости форму шара. Она поддерживает бегающих по поверхности пруда жучков, лапки которых водой не омачиваются. Она поднимает воду в почве и деревьях, стенки тонких пори отверстий которых наоборот, смачиваются водой великолепно. Вряд ли вообще возможно было бы Земледелие, если бы вода не обладала этой исключительной особенностью.
Аномалия теплоемкости. Среди существующих в природе жидкостей вода обладает наибольшей теплоемкостью. Это ее качество оказывает существенное влияние на климат. Основным терморегулятором климата являются воды океанов и морей: накапливая тепло летом, они отдают его зимой. Отсутствие водоемов на местности обычно приводит к образованию резко континентального климата. Благодаря влиянию океанов на значительной части земного шара обеспечивается перевес осадков на суше над испарением, и организмы растений и животных получают нужное им для жизни количество воды. Тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоёмкостью, имеет большое значение в жизни природы. По этой причине в ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету также медленно нагревается, являясь, таким образом, регулятором температуры на земном шаре. Вода — лучший теплоноситель. Ничто не может сравниться с ней. Ничто не может лучше работать в паровых турбинах электростанций, в цилиндрах паровых двигателей. Вода — гигантский двигатель и в природе. Нет ни одного вещества, у которого скрытая теплота испарения была бы больше, чем у воды. Каждый грамм водяного пара уносит с собой 537 калорий энергии. На большой высоте, где давление мало, воздух расширяется, его температура сильно понижается, и водяной пар конденсируется, снова превращаясь в воду, её мельчайшие капельки образуют облака.
Энергия Солнца, поднятая с водяным паром наверх, неминуемо должна выделиться обратно, когда он превращается в облака. Эта энергия переходит в тепловую, нагревая воздух. Каждую минуту водяной пар отдаёт атмосфере Земли необычайно огромное количество энергии. Это та энергия, за счёт которой дуют ветры, возникают бури, рождаются ураганы и штормы. Нагретая Солнцем под экватором, вода переносит тепло в Мировом океане гигантскими потоками морских течений в далёкие полярные области, где жизнь возможна только благодаря этой удивительной особенности воды.
Аномальное состояние льда
При температуре ниже 0 "С вода превращается в твердое состояние — лед, обладающий также необычайными свойствами. Он твёрдый, но течёт как жидкость, и существуют огромные ледяные реки, медленно текущие с высоких гор. Лёд изменчив, он непрерывно исчезает и образуется вновь. Лёд необычайно прочен и долговечен — десятки тысячелетий хранит он в себе тела мамонтов, случайно погибших в ледяных трещинах. Льдом покрыты целые материки на Земле.
Теплоемкость и теплота плавления льда уменьшаются с температурой, теплопроводность же почти не зависит от температуры. Когда толщина льда на поверхности водоема достигает 15 см, он становится надежным теплоизолятором между водой и воздухом. Морская вода замерзает при температуре -1,91 °С. При дальнейшем понижении температуры до —8,2 °С начинается оседание сернокислого натрия, и только при температуре —23 "С из раствора выпадает хлористый натрий. Так как часть рассола при кристаллизации уходит изо льда, соленость его становится меньше солености морской воды. Многолетний морской лед настолько опресняется, что из него можно получать питьевую воду. Теплоемкость морской воды стоит на третьем месте после теплоемкости водорода и жидкого аммиака. Иногда вода замерзает и при плюсовой температуре. За счет влияния белковых молекул температура замерзания воды в почвенных капиллярах может возрасти до | -1,4 "С. При замерзании чистая вода расширяется почти на
10%. морская — на меньшую величину. Для того, чтобы растопить лед, требуется гораздо больше тепла, чем для плавления такого же количества любого другого вещества. Исключительно большое значение скрытой теплоты плавления — 80 калорий на грамм льда — также аномальное свойство воды. При замерзании воды такое же количество тепла снова выделяется. Когда наступает зима, образуется лёд, выпадает снег и воды отдаёт обратно тепло, подогревая землю и воздух. Они противостоят холоду и смягчают переход к суровой зиме, к жестоким морозам. Именно благодаря ЭТОМУ замечательному свойству воды на нашей планете существуют осень и весна.
Вода — вещество, легко вступающее в химические реакции, поэтому абсолютно чистой воды в природе не существует, вода непременно содержит в своем составе те или иные химические соединения. Оксиды многих металлов и неметаллов соединяются с водой, образуя основания и кислоты; некоторые соли образуют с водой кристаллогидраты; наиболее активные металлы взаимодействуют с водой с выделением водорода.
Вода может быть также и катализатором. При отсутствии следов влаги практически не протекают некоторые обычные реакции; например, хлор не взаимодействует с металлами, фтороводород не разъедает стекло, натрий не окисляется в атмосфере воздуха.