Вода є речовиною незвичайним, таким, що заслуговує детального вивчення. Радянський академік В. В. Петрянов написав про це дивовижному речовині книги «незвичайна речовина в світі». Які аномалії фізичних властивостей води становлять особливий інтерес? Разом будемо шукати відповідь на це питання.
Цікаві факти
Ми рідко замислюємося над змістом слова “вода”. На нашій планеті понад 70 % від всієї площі займають річки і озера, моря та океани, айсберги, льодовики, болота, снігу на вершинах гір, а також вічна мерзлота. Незважаючи на таку величезну кількість води для пиття придатний лише 1 %.
Біологічне значення
Організм людини на 70-80 % складається з води. Це речовина забезпечує протікання всіх життєво важливих процесів, зокрема, завдяки їй з нього виводяться токсини, відновлюються клітини. Основною функцією води в живій клітині є структурно-енергетична, при зниженні кількісного вмісту її в тілі людини відбувається його «всихання».
Немає такої системи в живому організмі, яка б могла функціонувати без H2O. Незважаючи на аномалії води, вона є еталоном для визначення кількості теплоти, маси, температури, висоти місцевості.
Основні поняття
H2O — оксид водню, в якому міститься 11,19 % водню, 88,81% кисню по масі. Це безбарвна рідина, яка не має ні запаху, ні смаку. Вода є обов’язковим компонентом технологічних процесів у промисловості.
Вперше дана речовина було синтезовано в кінці 18 століття Р. Кавендішем. Вчений заклав суміш кисню і водню електричною дугою. Вперше проаналізував різницю в щільності льоду і води в 1612 Р. Галілей.
В 1830 році була створена парова машина французькими вченими П. Дюлонгом і Д. Араго. Це відкриття дозволило вивчити взаємозв’язок між тиском насиченої пари і температурою. У 1910 році американським вченим П. Бриджменом і німцем Р. Тамманом виявлено кілька поліморфних модифікацій у льоду при високому тиску.
У 1932 році американськими вченими Р. Юрі і Е. Уошберном була відкрита важка вода. Аномалії фізичних властивостей цієї речовини були відкриті завдяки вдосконаленню апаратури і методів проведення досліджень.
Деякі суперечності в фізичних властивостях
Чиста вода є прозорою безбарвною рідиною. Її щільність при перетворенні в рідину з твердого речовини зростає, в цьому проявляється аномалія властивостей води. Нагрівання її від 0 до 40 градусів призводить до зростання щільності. Як аномалії води необхідно відзначити високу теплоємність. Температура кристалізації складає 0 градусів за Цельсієм, а кипіння — 100 градусів.
Молекули цього неорганічного з’єднання кутове будова. Ядра, що входять до її складу, формують рівнобедрений трикутник, в основі якого розташовуються два протони, а вершиною є атом кисню.
Аномалії щільності
Вченим вдалося виявити близько сорока особливостей, характерних для H2O. Аномалії води заслуговують пильної розгляду і вивчення. Вчені намагаються пояснити причини кожного фактора, дати йому наукове пояснення.
Аномалія густини води полягає в тому, що у даної речовини своє максимальне значення щільність починається при +3,98°С. При подальшому охолодженні, перекладі з рідини в твердий стан спостерігається зменшення щільності.
Для інших сполук щільність в рідинах при зменшенні температури знижується, так як збільшення температури сприяє зростанню кінетичної енергії молекул (зростає швидкість їх пересування), що призводить до підвищеної рихлості речовини.
Розглядаючи подібні аномалії води, необхідно відзначити, що і для неї при підвищенні температури властивий зростання швидкості, але щільність знижується тільки при підвищених температурних значеннях.
Після зменшення щільності льоду він буде знаходитися на поверхні води. Пояснити це явище можна тим, що молекули мають в кристалі регулярне будова, що має просторову періодичність.
Якщо у звичайних сполук молекули упаковані в кристалах щільно, то після плавлення речовини, регулярність пропадає. Подібне явище спостерігається тільки при розташуванні молекул на значних відстанях. Зменшення густини при плавленні металів є мізерно малою величиною, оцінюється в 2-4 %. Густина води перевищує аналогічний показник у льоду на 10 відсотків. Таким чином, це і є прояв аномалії води. Хімія пояснює подібне явище дипольним будовою, а також ковалентного полярного зв’язку.
Аномалії стисливості
Продовжимо розмову про особливості води. Для неї характерно незвичне температурну поведінку. Її стиснення, тобто зменшення обсягу, у міру підвищення тиску цілком можна вважати прикладом аномалії фізичних властивостей води. Конкретно які особливості тут необхідно відзначити? Інші рідини набагато простіше стиснути під тиском, а вода набуває такі ознаки тільки при високих температурах.
Температурна поведінка теплоємності
Дана аномалія є однією з найсильніших для води. Теплоємність говорить про те, яку необхідно затратити кількість теплоти для того, щоб підвищити температуру на 1 градус. Для багатьох речовин теплоємність рідини після плавлення збільшується не більше ніж на 10 відсотків. А для води після плавлення льоду дана фізична величина зростає в два рази. Ні у однієї речовини подібного зростання теплоємності не зафіксовано.
Під льоду та енергія, що підводиться для нагрівання, витрачається в основному на збільшення швидкості руху молекул (кінетичну енергію). Істотне зростання теплоємності після плавлення свідчить про те, що у воді відбуваються інші енергоємні процеси, для яких потрібно підводиться тепло. Саме вони і є причиною підвищеної теплоємності. Дане явище характерне для всього діапазону температур, при якому вода має рідкий агрегатний стан.
Як тільки вона перетворюється в пар, аномалія пропадає. В даний час багато вчених займаються аналізом властивостей переохолодженої води. Воно полягає в її можливості зберігати рідкий стан нижче точки кристалізації 0°С.
Переохолоджувати воду можна в тонких капілярах, а також в неполярному середовищі як дрібних крапельок. Виникає закономірне питання про те, що спостерігається з аномалією густини в подібній ситуації. По мірі переохолодження щільність води істотно знижується, вона наближається до густини льоду при пониженні температурного значення.
Причини появи
Коли запитують: «Назвіть аномалії води і охарактеризуйте їх причини», необхідно пов’язувати їх з перебудовою структури. Розташування частинок у структурі будь-якої речовини визначається особливостями взаємного розташування в ній частинок (атомів, іонів, молекул). Між молекулами води діють водневі сили, які виводять цю рідину з залежності між температурами кипіння і плавлення, характерної для інших речовин, що знаходяться в рідкому агрегатному стані.
З’являються вони між молекулами даного неорганічного з’єднання завдяки особливостям розподілу густини електронів. Атоми водню володіють певним позитивним зарядом, а кисню — негативний. В результаті молекула води має форму правильного тетраедра. Подібна будова характеризується валентним кутом 109,5°. Самим вигідним розташуванням є розміщення по одній лінії кисню і водню, які мають різний заряд, отже, воднева зв’язок характеризується електростатичної природою.
Отже, незвичайні (аномальні) властивості води є наслідком особливого електронної будови її молекули.
«Пам’ять» води
Є така думка, що вода володіє пам’яттю, може накопичувати і переносити енергію, живлячи тіло віртуальної інформацією. Тривалий час цією проблемою займався японський учений Масару Емото. Результати своїх досліджень доктор Емото опублікував в книзі «Послання води». Вченим були проведені експерименти, в рамках яких він спочатку заморожував при 5 градусах краплю води, а потім аналізував структуру кристалів під мікроскопом. Для фіксації отриманих результатів він використовував мікроскоп, в який була вбудована фотокамера.
У рамках експерименту Масау Емото впливав на воду різними способами, потім заново її заморожував, вів фотозйомку. Йому вдалося отримати залежність між формою кристалів льоду і музикою, яку “слухала” вода. Дивно, але самі гармонійні сніжинки вчений зафіксував при використанні класичної і народної музики.
Використання сучасної музики, на думку Масау, “забруднює воду, тому їм були зафіксовані кристали неправильної форми. Цікавим фактом є і виявлення японським ученим залежності між формою кристалів і людською енергією.
Вода – це найдивовижніша речовина, яка міститься у великій кількості на нашій планеті. Складно уявити собі які-небудь сфери діяльності сучасної людини, в яких би вона не брала активну участь. Багатогранність даної речовини визначається аномаліями, причиною яких стало тетраэдрическое будова води.
