Вода и ее свойства

СОДЕРЖАНИЕ 

 

Введение………………………………………………………………………..2

1.Распространение воды на планете  Земля…………………………………..3

2.Изотопный состав  воды……………………………………………………..4

3.Строение молекулы воды…………………………………………………...6

4.Физические свойства воды, их  аномальность……………………………..8

4.1.Аномалия плотности…………………………………………………….10

4.2.Переохлажденная вода…………………………………………………..11

4.3.Аномалия сжимаемости…………………………………………………11

4.4.Поверхностное натяжение………………………………………………12

4.5.Аномалия теплоемкости………………………………………………...13

5.Структура и формы льда………………………………………………….14

6.Структура  и перестройка  структуры воды……………………………...16

7.Диаграмма состояния воды……………………………………………….17

8.Объяснение аномалий……………………………………………………..20

9.Заключение…………………………………………………………………21

10.Литература………………………………………………………………...22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Наша земля отличается от других планет: она живая. И сейчас мы уже знаем почему-на  ней есть вода. Если резко сократить ее количество или изменить одно из ее удивительных свойств-жизнь на земле исчезнет.

Что такое вода? мы все это знаем. Это то самое вещество, на котором основана вся жизнь на Земле. Вода сопровождает каждое мгновение нашей жизни, но знаем ли мы, какую тайну хранит в себе эта стихия? Откуда она пришла? Кто и зачем одарил ею нашу  планету, единственную во всей вселенной. Быть может ответы на эти вопросы знает только сама вода, ведь сегодня ее столько же, сколько было тогда, когда все только начиналось, когда рождался мир, приобретая привычные для нас очертания и ощущения.

«Вода в священном писании, это больше чем физическая субстанция, это некое понятие, связанное с идеей жизни.»-патриарх всея Руси Кирилл.

«Во всем мире нет ничего более мягкого и податливого, чем вода, но она точит твердое и крепкое. Никто не может ее одолеть, хотя любой может ее победить. Податливое побеждает крепкое, мягкое одолевает твердое. Все это знают, но никто не осмеливается действовать»- так говорил о воде Лао-Цзы.

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. Вода обладает физическими и химическими свойствами, но ни один ученый не может объяснить, почему плотность воды при минусовой температуре увеличивается, а при плюсовой уменьшается. Это уникальное свойство люди научились использовать еще несколько тысячелетий назад. Северные народы добывали камень для строительства , заливая  воду перед заморозками в расщелины скал. На юге деревянные клинья вбивали в трещины породы и поливали водой. Разбухая эти клинья разрывали камень. Гораздо позже ученые установили, что находясь в порах и капиллярах, вода способна создавать огромное давление. В земле например в момент прорастания оно может достигать 400 атмосфер. Вот почему росток с легкостью пробивает асфальт. Любое из свойств воды уникально. До сих пор не установлено почему только вода может находиться в трех состояниях :жидком,твердом,газообразном. Почему только у жидкости самое твердое поверхностное натяжение. Почему она является самым мощным растворителем на земле, и каким образом вода может пробираться вверх по стволам деревьев,преодолевая давление в несколько тысяч десятков атмосфер.

Связь между водой  и жизнью столь велика, 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.

В своей работе я постаралась  сфокусироваться на понятии воды, но посмотреть на него под разными углами. Мне стало интересно узнать какими свойствами вода обладет, как эти свойства  помогают нам в жизни. И все ли мы знаем о том, что такое вода?

 

 

 

1.РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОДЫ НА ПЛАНЕТЕ ЗЕМЛЯ

 

Молекула воды является наиболее распространённым веществом  на планете и, встречающимся на ней  в жидком, газообразном и твёрдом  состоянии. Вода – жидкость без вкуса, запаха и цвета, плотность 1,0 г/ см³. Гидросфера занимает 71% поверхности земного шара. Рождается из элементов, занимающих первое и третье место по распространенности во вселенной, в объёмном соотношении 2:1. Это одна из самых маленьких молекул нам известных. Уже много веков учёные изучают воду. Времени было достаточно, казалось о воде должно было быть всё известно, но не тут то было. 
Молекула воды состоит из двух атомов водорода (Н) и одного атома кислорода (О). Все многообразие свойств воды и необычность их проявления, в конечном счете, определяются физической природой этих атомов и способом их объединения в молекулу. В отдельной молекуле воды ядра водорода и кислорода расположены так относительно друг друга, что образуют как бы равнобедренный треугольник со сравнительно крупным ядром кислорода на вершине и двумя мелкими ядрами водорода у основания. В молекуле воды имеются четыре полюса зарядов: два отрицательных за счет избытка электронной плотности у кислородных пар электронов и два положительных - вследствие недостатка электронной плотности у ядер водорода - протонов. Такая ассиметричность распределения электрических зарядов воды обладает ярко выраженными полярными свойствами; она является диполем с высоким дипольным моментом -1,87 Дебай.

Изо льда состоят огромные горные ледники, им покрыты и некоторые  материки. Лёд хранит в себе огромные запасы пресной воды. Лёд твёрдый, а течёт как жидкость. Образуя огромные реки, медленно стекающие с гор. Лёд необычайно прочен и долговечен. Он может десятки тысяч лет хранить в себе скелеты животных, погибших в ледниках. Улавливая солнечное излучение, вода помогает поддерживать температуру на земле в комфортном диапазоне. Мощные морские течения разносят огромные объёмы воды по всей планете, в частности не дают мерзнуть европейцам омывая Европу Гольфстримом. И, наконец, вода обеспечивает жизнедеятельность всех организмов: она переносит питательные вещества, собирает и выводит отходы. 
 

2.ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ ВОДЫ

 

Атомы водорода и кислорода, образующие воду, или окись водорода, могут иметь различные массовые числа и отличаться друг от друга  своими физико-химическими свойствами, но при этом они имеют одинаковый электрический заряд атомных ядер и поэтому занимают в периодической системе элементов одно и то же место. Такие разновидности атомов одного и того же химического элемента называются изотопами. Известны пять водородов и пять кислородов. Правда, по два из них (⁴H, ⁵H, ¹⁴O и ¹⁵O) радиоактивны и очень короткоживущие. Например, длительность существования водорода – 4 —4*10^-11  сек.  Наиболее широко известны следующие изотопы водорода: протий  ¹H ( с относительной атомной массой 1), дейтерий  ²H, или D ( c относительной атомной массой 2) и тритий  ³H, или T ( c относительной атомной массой 3), наиболее тяжелый, но слаборадиоактивный водород ( его период полураспада 12,3 года), и изотопы кислорода:  ¹⁶O, ¹⁷O и ¹⁸O. Эти шесть изотопов могут образовывать 18 изотопических разновидностей воды: ¹Н₂¹⁶О; ¹НD¹⁶О; D₂¹⁶О ; ¹НT¹⁶О; DT¹⁶О; T₂О¹⁶; ¹Н₂¹⁷О; ¹НD¹⁷О; D₂¹⁷О; ¹НT¹⁷О; DT¹⁷О; T₂¹⁷О; ¹Н₂¹⁸О; ¹НD¹⁸О; D₂¹⁸О; ¹НT¹⁸О; DT¹⁸О; T₂¹⁸О.

На Земле на 6800 атомов протия приходится один атом дейтерия, а в межзвездочном пространстве один атом дейтерия приходится уже на 200 атомов протия.

3.СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ  ВОДЫ

 

Молекула воды состоит  из двух атомов водорода (Н) и одного атома кислорода (О). Все многообразие свойств воды и необычность их проявления в конечном счете определяются физической природой этих атомов и способом их объединения в молекулу. В отдельной молекуле воды ядра водорода и кислорода расположены так относительно друг друга, что образуют как бы равнобедренный треугольник со сравнительно крупным ядром кислорода на вершине и двумя мелкими ядрами водорода у основания.

 

   

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.

 

 В молекуле воды  имеются четыре полюса зарядов:  два отрицательных за счет  избытка электронной плотности  у кислородных пар электронов  и два положительных - вследствие  недостатка электронной плотности у ядер водорода - протонов. Такая ассиметричность распределения электрических зарядов воды обладает ярко выраженными полярными свойствами; она является диполем с высоким дипольным моментом -1,87 дебай

Благодаря этому молекулы воды стремятся нейтрализовать электрическое поле. Под воздействием диполей воды на поверхности погруженных в нее веществ межатомные и межмолекулярные силы ослабевают в 80 раз. Столь высокая диэлектическая проницаемость из всех известных веществ присуща только воде. Этим объясняется ее способность быть универсальным растворителем.

Помогая" контактирующим с ней молекулам разлагаться  на ионы (например, солям кислот), сама вода проявляет большую устойчивость. Из 1 млрд. молекул воды диссоциированными  при обычной температуре оказываются лишь две, при этом протон не сохраняется в свободном состоянии, а вероятнее всего входит в состав иона гидроксония. Вода химически не изменяется под действиям большинства тех соединений, которые она растворяет, и не изменяет их. Это характеризует ее инертным растворителем, что важно для живых организмов на нашей планете, поскольку необходимые их тканям питательные вещества поступают в водных растворах в сравнительно устойчивом виде. Как растворитель вода многократно используется, неся в своей структуре память о ранее растворенных в ней веществах. В такой модели углы между каждой парой линий, соединяющих центр (атом О) с вершинами, равны 109,5 С .         

 

 

 

 

 

Как известно, свойства химических соединений зависят от того, из каких  элементов состоят их молекулы, и изменяются закономерно. Воду можно рассматривать как оксид водорода или как гидрид кислорода.

Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону  от кислородного, электрические заряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды полярна, что является причиной особого взаимодействия между разными её молекулами. Атомы водорода в молекуле воды, имея частичный положительный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних     молекул.Такая химическая связь называется  в о д о р о д н о й. Она обьединяет молекулы воды в своеобразные полимеры пространственного строения. В водяном паре присутствует около 1%  димеров воды. Расстояние между атомами кислорода – 0,3 нм. В жидкой и твёрдой фазах каждая молекула воды образует четыре водородные связи: две – как донор протонов и две – как акцептор протонов. Средняя длина этих связей – 0, 28 нм, угол  Н – О – Н  стремится к 180⁰. Четыре водородные связи молекулы воды направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра.

Структура модификаций льда представляет собой трёхмерную сетку. В модификациях, существующих при низких давлениях, так называемый лёд – I , связи Н – О – Н почти прямолинейны и направлены к вершинам правильного тетраэдра. Но при высоких давлениях обычный лёд можно превратить в так называемые  лёд – II, лёд – III так далее – более тяжёлые и плотные кристаллические формы этого вещества. Самые твёрдые, плотные и тугоплавкие пока – лёд – VII  и лёд – VIII. Лёд – VII получен под давлением 3 млрд Па, он плавится при температуре + 190⁰ C . В модификациях – лёд – II  -  лёд – VI – с вязи Н – О – Н искривлены и углы между ними отличаются от тетраэдрического, что обусловливает увеличение плотности по сравнению с плотностью обычного льда. Только в модификациях лёд – VII  и лёд – VIII  достигается самая высокая плотность упаковки: в их структуре две правильные сетки, выстроенные из тетраэдров, вставлены одна в другую, при этом сохраняется система прямолинейных водородных связей.

Трёхмерная сетка водородных связей, построенная из тетраэдров, существует и в жидкой воде во всём интервале от температуры плавления до критической температуры, равной + 3,98⁰ С. Увеличение плотности при плавлении, как и в случае плотных модификаций льда, объясняется искривлением водородных связей.

Искривление водородных связей увеличивается с ростом температуры и давления, что ведёт к возрастанию плотности. С другой стороны при нагревании средняя длина водородных связей становится больше, в результате чего плотность уменьщается. Совместное действие двух фактов объясняет наличие максимума плотности воды при температуре + 3, 98⁰

 

 

 

 

 

 

 

4.ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА  ВОДЫ,ИХ АНОМАЛЬНОСТЬ

 

Чистая вода представляет собой бесцветную  без вкуса запаха прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает.

Как хорошо известно, вода принята за образец меры – эталон для всех  других веществ. Казалось бы, за эталон для физических констант следовало бы выбрать такое вещество, которое ведет себя самым нормальным, обычным образом. А получилось как раз наоборот.

И первое, самое поразительное, свойство воды заключается в том, что вода принадлежит к единственному  веществу на нашей планете, которое  в обычных условиях температуры  и давления может находиться в трех фазах, или трех агрегатных состояниях: в твердом (лед), жидком и газообразном (невидимый глазу пар).

 

Ещё один вид воды, отличающийся по физическим свойствам от обычной воды, - это омагниченная вода. Такую воду получают с помощью магнитов, вмонтированных в трубопровод, по которому течет вода. Омагниченная вода изменяет свои физико – химические свойства: скорость химических реакций в ней увеличивается, ускоряется кристаллизация растворённых веществ, увеличивается слипание твёрдых частиц примесей и выпадение их в осадок с образованием крупных хлопьев (коагуляция). Омагничивание успешно применяется на водопроводных станциях  при большой мутности забираемой воды. Она позволяет также быстро осаждать загрязненные промышленные стоки.

Из химических свойств воды особенно важны способность её молекул диссоциировать (распадаться) на ионы и способность воды растворять вещества разной химической природы.

Роль воды как главного и универсального растворителя определяется прежде всего полярностью её молекул и, как следствие, её чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемостью. Разноимённые электрические заряды, и в частности ионы, притягиваются друг к другу в воде в 80 раз слабее, чем   притягивались бы в воздухе. Силы взаимного притяжения между молекулами или атомами погружённого в воду тела также слабее, чем в воздухе. Тепловому движению в этом случае легче разбить молекулы. Оттого и происходит растворение, в том числе многих труднорастворимых веществ: капля камень точит.

Лишь незначительная доля молекул (одна из 500 000 000) подвергается электролитической диссоциации по схеме:

Н₂О        Н⁺  + ОН^-

Однако, приведённое уравнение  условное: не может существовать в  водной среде лишённый электронной  оболочки протон Н⁺. Он сразу соединяется с молекулой воды, образуя ион гидроксония Н₃О⁺, который в свою очередь объединяется с одной, двумя или тремя молекулами воды в

Н₃О⁺ , Н₅О₂⁺ , Н₇О₃⁺ .

Электролитическая диссоциация  воды – причина гидролиза солей  слабых кислот и  (или) оснований. Степень  электролитической диссоциации заметно возрастает при повышении температуры.

Образование воды из элементов по реакции:

Н₂ + ¹/₂ О₂      Н₂О   -242 кДж/моль для пара

-286 кДж/моль для жидкой воды

-при низких температурах в  отсутствии катализаторов происходит  крайне медленно, но скорость реакции резко возрастает при повышении температуры, и при 550⁰ С она происходит со взрывом. При понижении давления и повышении температуры равновесие сдвигается влево.

Под действием ультрафиолетового  излучения происходит фотодиссоциация  воды на ионы Н⁺ и ОН^- .

Ионизирующее излучение вызывает радиолиз воды с образованием Н₂ ; Н₂О₂  и свободных радикалов: Н^* ;  ОН^* ;  О^* .

Вода – реакционноспособное  соединение.

Вода окисляется атомарным  кислородом:

Н₂О  +  О       Н₂О₂

При взаимодействии с F₂ образуется НF, а также   О₂ ;О₃ ; Н₂О₂ ; F₂О  и другие соединения.

С остальными галогенами при низких температурах вода реагирует с образованием смеси кислот Н Гал  и Н Гал  О.

При обычных условиях с водой  взаимодействует до половины растворённого  в ней  СI₂  и значительно меньшие количества  Br₂    и    J ₂  .

При повышенных температурах  СI₂ и Br₂  разлагают воду с образованием  Н Гал и О₂  .

При пропускании паров  воды через раскалённый уголь  она разлагается и образуется так называемый водяной газ:

Н₂О  +   С       СО   +   Н₂

При повышенной температуре  в присутствии катализатора вода реагирует с   СО; СН₄  и другими углеводородами, например:

Н₂О  +   СО       СО₂  +  Н₂

Н₂О  +  СН₄        СО  + 3Н₂

Эти реакции используют для промышленного    получения водорода.

Фосфор при нагревании с водой под давлением в присутствии катализатора окисляется в метафосфорную кислоту:

6Н₂О  +  3Р       2НРО₃  +  5Н₂

Вода взаимодействует со многими  металлами с образованием  Н₂  и сответствующего гидроксида. Со щелочными и щелочно-земельными металлами ( кроме Мg )  эта реакция протекает уже при комнатной температуре. Менее активные металлы разлагают воду  при повышенной температуре, например, Мg  и   Zn – выше 100⁰ С;  Fe – выше  600⁰ С :

2Fe  +  3H₂O      Fe₂O ₃  +  3H₂

При взаимодействии с  водой многих оксидов образуются кислоты или основания.

Вода может служить  катализатором, например, щелочные металлы  и водород реагируют с CI₂  только в присутствии следов воды.

Иногда вода – каталитический яд, например, для железного катализатора при синтезе  NH₃.

Способность молекул  воды образовывать трёхмерные сетки  водородных связей позволяет ей давать с инертными газами, углеводородами, СО₂ , CI₂ , (CH₂)₂O , CHCI₃   и многими другими веществами газовые гидраты.

Примерно до конца 19 века  вода считалась бесплатным неистощимым даром природы. Её не хватало только в слабонаселённых районах пустынь. В 20 веке взгляд на воду резко изменился. В результате быстрого роста населения земного шара и бурного развития промышленности проблема снабжения человечества  чистой пресной водой стала чуть ли не мировой проблемой номер один. В настоящее время люди используют ежегодно около 3000 млрд кубических метров воды, и эта цифра непрерывно быстро растёт. Во многих густонаселённых промышленных районах чистой воды уже не хватает.

 

4.1.Аномалия плотности.

       Всем известна аномалия плотности.  Она двоякая. Во-первых, после  таяния льда плотность увеличивается,  проходит через максимум при  4 ^оС и только затем уменьшается с ростом температуры. В обычных жидкостях плотность всегда уменьшается с температурой. И это понятно. Чем больше температура, тем больше тепловая скорость молекул, тем сильнее они расталкивают друг друга, приводя к большей рыхлости вещества. Разумеется, и в воде повышение температуры увеличивает тепловую скорость молекул, но почему-то это приводит в ней к понижению плотности только при высоких температурах.

     Вторая аномалия  плотности состоит в том, что  плотность воды больше плотности  льда (благодаря этому лед плавает  на поверхности воды, вода в реках зимой не вымерзает до дна и т.д.). Обычно же при плавлении плотность жидкости оказывается меньше, чем у кристалла. Это тоже имеет простое физическое объяснение. В кристаллах молекулы расположены регулярно, обладают пространственной периодичностью - это свойство кристаллов всех веществ. Но у обычных веществ молекулы в кристаллах, кроме того, плотно упакованы. После плавления кристалла регулярность в расположении молекул исчезает, и это возможно только при более рыхлой упаковке молекул, то есть плавление обычно сопровождается уменьшением плотности вещества. Такого рода уменьшение плотности очень мало: например, при плавлении металлов она уменьшается на 2 - 4%. А плотность воды превышает плотность льда сразу на 10%! То есть скачок плотности при плавлении льда аномален не только по знаку, но и по величине.

 

4.2.Переохлажденная вода.

     

В последнее время много  внимания уделяется изучению свойств  переохлажденной воды, то есть остающейся в жидком состоянии ниже точки  замерзания 0  (Переохладить воду можно либо в тонких капиллярах, либо - еще лучше - в виде эмульсии: маленьких капелек в неполярной среде - "масле"). Что же происходит с аномалией плотности при переохлаждении воды? Она ведет себя странно. С одной стороны, плотность воды сильно уменьшается по мере переохлаждения (то есть первая аномалия усиливается), но, с другой стороны, она приближается к плотности льда при понижении температуры (то есть вторая аномалия ослабевает).

 

4.3.Аномалия  сжимаемости.

     Вот  еще пример аномалии воды: необычное температурное поведение ее сжимаемости, то есть степени уменьшения объема при увеличении давления .  Обычно сжимаемость жидкости растет с температурой: при высоких температурах жидкости более рыхлы (имеют меньшую плотность) и их легче сжать. Вода обнаруживает такое нормальное поведение только при высоких температурах. При низких же сжимаемость ведет себя противоположным образом, в результате чего в ее температурном поведении появляется минимум при 45 ^оС.

    На этих двух  примерах мы видим, что необычные свойства воды характеризуются экстремальным поведением, то есть появлением максимумов (как в плотности) или минимумов (как в сжимаемости) на кривых их зависимостей от температуры. Такие экстремальные зависимости означают, что в воде имеет место противоборство двух процессов, каждый из которых обусловливает противоположное поведение рассматриваемого свойства. Один процесс - это обычное тепловое движение, усиливающееся с ростом температуры и делающее воду (как и любую другую жидкость) более раз упорядоченной; другой процесс необычный, присущий только воде, за счет него вода становится более упорядоченной при низких температурах. Разные свойства воды по-разному чувствительны к этим двум процессам, и поэтому положение экстремума наблюдается для каждого свойства при своей температуре.                                

 

 

 

4.4.Поверхностное натяжение 

      Среди необычных свойств воды  трудно обойти вниманием еще  одно - ее исключительно высокое  поверхностное натяжение 0,073 Н/м  (при 20^o С). Из всех жидкостей более высокое поверхностное натяжение имеет только ртуть. Оно проявляется в том, что вода постоянно стремится стянуть, сократить свою поверхность, хотя она всегда принимает форму емкости, в которой находится в данный момент. Вода лишь кажется бесформенной, растекаясь по любой поверхности. Сила поверхностного натяжения заставляет молекулы ее наружного слоя сцепляться, создавая упругую внешнюю пленку. Свойства пленки также определяются замкнутыми и разомкнутыми водородными связями, ассоциатами различной структуры и разной степени упорядоченности. Благодаря пленке некоторые предметы, будучи тяжелее воды, не погружаются в воду (например, осторожно положенная плашмя стальная иголка). Многие насекомые (водомерки, ногохвостки и др.) не только передвигаются по поверхности воды, но взлетают с нее и садятся, как на твердую опору. Более того, живые существа приспособились использовать даже внутреннюю сторону водной поверхности. Личинки комаров повисают на ней с помощью не смачиваемых щетинок, а маленькие улитки - прудовики и катушки - ползают по ней в поисках добычи.  
Высокое поверхностное натяжение позволяет воде принимать шарообразную форму при свободном падении или в состоянии невесомости: такая геометрическая форма имеет минимальную для данного объема поверхность.  Струя химически чистой воды сечением 1 см² по прочности на разрыв не уступает стали того же сечения. Водную струю как бы цементирует сила поверхностного натяжения. Поведение воды в капиллярах подчиняется и более сложным физическим закономерностям. Сент-Дьердьи отмечал, что в узких капиллярах возникают структурно упорядоченные слои воды вблизи твердой поверхности. Структурирование распространяется в глубь жидкой фазы на толщину слоя порядка десятков и сотен молекул (ранее предполагали, что упорядоченность ограничивается лишь мономолекулярным слоем воды, примыкающим к поверхности). Особенности структурирования воды в капиллярных системах позволяют с определенным основанием говорить о капиллярном состоянии воды. В природных условиях это состояние можно наблюдать у так называемой поровой воды. В виде тончайшей пленки она устилает поверхность полостей, пор, трещин пород и минералов земной коры. Развитые межмолекулярные контакты с поверхностью твердых тел, особенности структурной упорядоченности, вероятно, и являются причиной того, что поровая вода замерзает при более низкой температуре, чем обычная - свободная - вода. Исследования показали, что при замерзании связанной воды проявляются не только изменения ее свойств, - иными становятся и свойства тех горных пород, с которыми она непосредственно соприкасается.

 

4.5.Аномалия  теплоемкости.

      Что же это за необычный  процесс, происходящий в воде  и делающий ее непохожей на  другие жидкости? Чтобы уяснить  его физическую сущность, рассмотрим  еще одну, на мой взгляд, самую  сильную аномалию воды - температурное поведение ее теплоемкости. Величина теплоемкости, как известно, показывает, сколько нужно затратить тепла, чтобы поднять температуру вещества на один градус. Для подавляющего числа веществ теплоемкость жидкости после плавления кристалла увеличивается незначительно - никак не более 10%. Другое дело - вода. При плавлении льда теплоемкость скачет от 9 до 18 кал/моль " град, то есть в два раза! Такого огромного скачка теплоемкости при плавлении не наблюдается ни у одного другого вещества: здесь вода абсолютный рекордсмен.Во льду энергия, подводимая для нагревания, тратится в основном на увеличение тепловой скорости молекул. Скачок теплоемкости после плавления означает, что в воде открываются какие-то новые процессы (и очень энергоемкие), на которые тратится, подводимое тепло и которые обусловливают появление избыточной теплоемкости. Такая избыточная теплоемкость и, следовательно, упомянутые энергоемкие процессы существуют во всем диапазоне температур, при которых вода находится в жидком состоянии. Она исчезает только в паре, то есть эта аномалия является свойством именно жидкого состояния воды. Теплоемкость воды аномальна не только по своему значению. Удельная теплоемкость разная при различных температурах, причем характер температурного изменения удельной теплоемкости своеобразен: она снижается по мере увеличения температуры в интервале от 0 до 37^o С, а при дальнейшем увеличении температуры - возрастает. Минимальное значение удельной теплоемкости воды обнаружено при температуре 36,79^o С, а ведь это нормальная температура человеческого тела! Нормальная температура почти всех теплокровных живых организмов также находится вблизи этой точки.При сильном переохлаждении теплоемкость сильно возрастает, то есть аномальный вклад в нее еще больше увеличивается. Переохлажденная вода еще более аномальна, чем обычная.

 

                        

 

 

 

 

 

 

5.СТРУКТУРА И ФОРМА ЛЬДА

      Вода при охлаждении в нормальных  условиях ниже 0^о С кристаллизируется, образуя лед, плотность которого меньше, а объем почти на 10% больше объема исходной воды. Охлаждаясь, вода ведет себя как многие другие соединения: понемногу уплотняется-уменьшает свой удельный объем. Но при 4 ^оС ( точнее, при 3,98 ^оС) наступает кризисное состояние: при дальнейшем понижении температуры объем воды уже не уменьшается, а увеличивается. С этого момента начинается упорядочение взаимного расположения молекул, складывается характерная для льда гексагональная кристаллическая структура. Каждая молекула в структуре льда соединена водородными связями с четырьмя другими. Это приводит к тому, что в фазе льда образуется ажурная конструкция с " каналами" между фиксированными молекулами воды. В водных растворах некоторых органических веществ вокруг молекул примесей возникают упорядоченные группы водных молекул своеобразные зоны "жидкого льда", имеющие кубическую структуру, которая отличается большой рыхлостью по сравнению с гексагональной. Появление такого льда вызывает значительное расширение всей замерзшей массы. При появлении льда разрушаются связи не только дальнего, но и ближнего порядка. Так, при 0 ^о  С  9- 15% молекул Н₂О утрачивают связи с соединениями, в результате увеличивается подвижность части молекул и они погружаются в те полости, которыми богата ажурная структура льда. Этим объясняется сжатие льда при таянии и большая по сравнению с ним плотность образующейся воды. При переходе " лед-вода" плотность возрастает примерно на 10%, и можно считать, что эта величина определенным образом характеризует количество молекул Н₂О, попавших в полости.