Аномалии воды: Молекулы в ресторане. Аномалии воды
АНОМАЛИЯ ВОДЫ - это... Что такое АНОМАЛИЯ ВОДЫ?
Геологический словарь: в 2-х томах. — М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978.
- АНОМАЛИЯ БАКТЕРИАЛЬНАЯ
- АНОМАЛИЯ ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКАЯ
Смотреть что такое "АНОМАЛИЯ ВОДЫ" в других словарях:
аномалия воды — vandens anomalija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. water anomaly vok. Anomalie des Wassers, f rus. аномалия воды, f pranc. anomalie de l’eau, f … Fizikos terminų žodynas
АНОМАЛИЯ ВОДЫ — отклонения воды по физическим свойствам от других минералов. Главные А. в. следующие: 1) наибольшая плотность при 4°; 2) уменьшение объема (вместо расширения) при плавлении; 3) понижение (вместо повышения) точки плавления при давлении; 4)… … Словарь по гидрогеологии и инженерной геологии
АНОМАЛИЯ В СРЕДЕ — отклонение от нормы или среднего значения компонентов окружающей среды в ту или иную сторону, приводящее к качественным или количественным изменениям в жизни отдельных особей, популяции и сообщества организмов (биоценоза) в целом. Аномалии в… … Экологический словарь
Великая солёностная аномалия — (ВСА, англ. Great Salinity Anomaly) наблюдавшееся в северной части Атлантического океана в конце 1960 х годов явление, заключавшееся в существенном (до 1 промилле) уменьшении солёности морской воды в прилегающем к поверхности 200… … Википедия
Вода — хим. соединение водорода и кислорода. Весовой состав ее: 11,19% Н и 88,81% О. Молекулярная масса 18,0153. В молекуле В. имеется 10 электронов (5 пар): одна пара внутренних электронов расположена вблизи ядра кислорода, две пары внешних электронов… … Геологическая энциклопедия
Anomalie des Wassers — vandens anomalija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. water anomaly vok. Anomalie des Wassers, f rus. аномалия воды, f pranc. anomalie de l’eau, f … Fizikos terminų žodynas
anomalie de l’eau — vandens anomalija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. water anomaly vok. Anomalie des Wassers, f rus. аномалия воды, f pranc. anomalie de l’eau, f … Fizikos terminų žodynas
vandens anomalija — statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. water anomaly vok. Anomalie des Wassers, f rus. аномалия воды, f pranc. anomalie de l’eau, f … Fizikos terminų žodynas
water anomaly — vandens anomalija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. water anomaly vok. Anomalie des Wassers, f rus. аномалия воды, f pranc. anomalie de l’eau, f … Fizikos terminų žodynas
По́чки — (renes) парный экскреторный и инкреторный орган, выполняющий посредством функции мочеобразования регуляцию химического гомеостаза организма. АНАТОМО ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЙ ОЧЕРК Почки расположены в забрюшинном пространстве (Забрюшинное пространство) на… … Медицинская энциклопедия
dic.academic.ru
Аномалии воды: Молекулы в ресторане
Что есть проще воды? Мы знакомы с ней с самого младенчества, она окружает нас повсюду, она несет жизнь. Однако многое в ее структуре на молекулярном уровне до сих пор остается загадкой. А некоторые свойства воды пока объяснить никак не удается.
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 h3O 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.
Читайте также еще об одной аномалии воды, едва не погубившей экспедицию легендарного полярника Фритьофа Нансена — и о том, чем она объясняется: «Физика мертвой воды».
По пресс-релизу Stanford University
www.popmech.ru
Аномалии воды - Справочник химика 21
Известен целый ряд аномалий воды при температуре 50—60°С. Поэтому важно определить реакционную способность воды при различных температурах по отношению к вяжущему веществу. [c.85]
Химически чистая вода обладает рядом свойств, резко отличающих ее от других природных тел. Эти особые свойства известны под названием аномалии воды. [c.12]Свойства. Чистая вода не имеет цвета, вкуса и запаха, в толстых (более 5 м) слоях вода окрашена в голубой цвет. Т. кип. при нормальном атмосферном давлении равна 100 X, при О °С затвердевает в лед, что сопровождается увеличением объема на 9 %. Наибольшую плотность (1 г/см ) вода имеет при 4°С (еще одна аномалия воды). Электропроводность очень чистой (многократно дистиллированной) воды весьма мала. [c.267]
Физические свойства воды. Химически чистая вода — бесцветная, прозрачная жидкость, лишенная запаха и вкуса. Плотность воды при охлаждении изменяется не линейно, максимальная плотность наблюдается при 4 С. Благодаря этой аномалии воды природные водоемы не промерзают зимой и в них сохраняется жизнь. [c.279]
Аналогичная аномалия воды наблюдается и при рассмотрении энтропии плавления (рис. 1.9). В соответствии с формулой (1.7) изменение энтропии при плавлении льда равно [c.30]
Во всех указанных случаях (дР/дТ) > 0. Исключение составляют лишь Р — 7-кривые процессов плавления льда,висмута, галлия и некоторых сортов чугуна они имеют отрицательный угловой коэффициент. Этим объясняется, в частности, одна из аномалий воды, имеющая огромное практическое значение понижение температуры плавления льда с ростом давления. Эта аномалия в соответствии с принципом смещения равновесия обусловлена сжатием при плавлении. Она наблюдается лишь до 2200 атм выше этого давления AV меняет знак, ибо лед переходит в модификацию более плотную, чем вода . Исследования Бриджмена и Таммана показали, что лед существует в нескольких формах (см. рис. 52). [c.186]
Чистая вода не имеет цвета, вкуса и запаха, толстые слои воды (более 5 м) имеют голубую окраску. Вода кипит при 100°С, а затвердевает в лед при 0°С, что сопровождается увеличением объема на 9%, т.е. лед легче жидкой воды вторая аномалия воды). Наибольшую плотность (р = [c.111]
Причина плотностной аномалии воды точно не установлена. Предполагают, что при О С вода в значительной части состоит из (Н20)з, а при нагревании ее до -f4 "С утроенные молекулы переходят в (Н20)г, что. сопровождается увеличением плотности. При дальнейшем нагревании начинают преобладать простые молекулы и [c.136]
Другое объяснение плотностной аномалии воды допускает существование в ней при низких температурах мельчайших кристаллов льда. Предполагается, что при О °С вода содержит 0,6% таких кристалликов, а с повышением температуры количество их очень быстро уменьшается. [c.137]
Наконец, третье возможное объяснение плотностной аномалии воды исходит из наличия некоторой упорядоченности в структуре жидкостей (III 8). Предполагается, что при нагревании от О до 4 °С характер этой упорядоченности у воды изменяется таким образом, что результатом является более тесное сближение частиц (ср. доп. 32). [c.137]
Из всех ассоциированных жидкостей наибольший интерес представляет вода как среда, имеющая непосредственное отношение к тем предбиологическим процессам, которые завершились появлением живых систем. Аномалии воды — высокая скрытая теплота ее фазовых переходов (плавления и испарения), большое значение диэлектрической постоянной, теплоемкости, экстремальный ход изменения плотности и теплоемкости с температурой, относительно высокие температуры плавления и кипения, значительное поверхностное натяжение и др. побудили к тщательному изучению этой удивительной жидкости и, хотя специальные методы исследования и в настоящее время открывают ее новые особенности, можно считать доказанным, что ассоциация молекул воды обусловлена главным образом водородными связями. [c.243]
Заметим, что тетраэдрическая структура оставляет довольно много пустот внутри решетки, которые достаточно велики (О. Я. Самойлов), чтобы вместить молекулу воды. По Самойлову, при плавлении льда эти пустоты заполняются, что ведет к повышению плотности жидкой воды по сравнению с твердой (льдом) — так объясняется одна из важных аномалий воды. [c.244]
Другая аномалия воды состоит в том, что из всех твердых и жидких веществ она имеет наибольшую теплоемкость. Поэтому, медленно поглощая теплоту лето.м, вода также медленно отдает ее зимой, и, таким образом регулирует температуры обширных пространств Земли. [c.279]
Одним из объяснений причин аномалий воды является наличие водородных связей. Последние возникают за счет стяжения водорода одной молекулы воды с кислородом другой, по схеме [c.331]
Основные аномалии воды проявляются в особенностях зависимости от температуры и зависимости от давления производных термодинамических функций. А именно в немонотонности их зависимости от Г и Р и часто обратной зависимости от этих параметров по сравнению с обычными жидкостями при температурах, близких к температуре плавления, и давления р = 1 атм. [c.110]
Вследствие плотностной аномалии воды в глубоких водоемах наблюдается температурная слоистость. Зимой поверхностные слои воды имеют температуру, близкую к нулю, а нижние -1-4° (так называемая обратная температурная слоистость). В начале весны прогревающаяся до -1-4° вода опускается вниз и наслаивается на глубинную воду, имеющую ту же температуру. В результате этой частичной циркуляции происходит выравнивание температуры воды — весенняя гомотермия. [c.9]
По сравнению с другими химическими соединениями вода обнаруживает необычные отклонения по ряду физических свойств — плотности, удельной теплоемкости и др. Эти аномалии воды в значительной степени связаны с ассоциацией ее молекул. [c.14]
Связано это с тем, что вода — ассоциированная жидкость, ее молекулы в жидкой фазе в среднем имеют утроенный молекулярный вес (НгО)з. Следствием являются многочисленные аномалии воды. Из соседних же с ней водородных соединений ассоциирован лишь HF в жидком состоянии, но в меньшей степени. [c.97]
Взаимодействие, обусловленное водородными связями, приводит с сохранению в воде аномально высокого по сравнению с другими жидкостями ближнего порядка. Возникновение и стабилизация одной связи благоприятствует образованию водородных связей с другими соседними молекулами воды. Это позволяет характеризовать водородные связи как коллективное свойство, в результате которого структура воды упрочняется в широких областях. Эластичность водородных связей допускает сосуществование разнообразных структур в различных кристаллических модификациях льда (см. рис. 1.2,6). Наличием водородных связей объясняются также аномалии воды, проявляющиеся в некоторых ее свойствах. [c.33]
Исследования, начатые Ми и Грюнейзеном и, позже продолженные многими авторами, с ясностью показали, что формула (8.21) только тогда хорошо аппроксимирует энергию взаимодействия, когда показатель степени т первого члена выбирается в точном согласии с индивидуальными свойствами вещества при этом число т, вообще говоря, оказывается дробным. Для дальнейшего важно отметить, что при некоторых, видимо допустимых, упрощениях можно указать соотношения, позволяющие вычислить показатель т по критическим параметрам вещества. Это было подтверждено расчетом таких сложных эффектов, как термодинамические аномалии воды, и предвычислением свойств тяжелой воды. Что же касается показателя п, который определяет отталкивание электронных оболочек частиц, то разнообразные экспериментальные данные указывают, что /г—9 (пока сближение частиц не вызывает деформацию электронных оболочек в последнем случае /г = 18, что, в частности, объясняет высокую точность закона сжимаемости Бачинского). Это было показано еще в 30-х годах и недавно подтверждено вычислениями, основанными на новых экспериментальных данных. [c.271]
Другая аномалия воды — ее необычайно высокая теплоемкость ни одно другое вещество не требует такой большой затраты тепла для повышения его температуры на 1°. [c.211]
И эта аномалия воды объясняется полярностью ее молекул. Вода— ассоциированная жидкость. Молекулы в ней, притягиваясь одна к другой разноименными электрическими полюсами, образуют группы из 2, [c.211]
Лед. Еще одна аномалия воды обнаруживается при изучении изменяемости ее удельного веса с температурой. При охлаждении вода сжимается, как и подавляющее большинство веществ, но лишь до 4°. При приближении температуры к + 4° сжатие воды замедляется, приостанавливается а при дальнейшем охлаждении сменяется расширением вплоть до точки замерзания. Замерзание воды сопровождается новым скачкообразным расширением удельный вес воды при замерзании уменьшается на 7э- И эта аномалия воды играет чрезвычайно важную роль в жизни нащей планеты., [c.211]
В свое время вода была выбрана в качестве эталонного вещества в измерении таких фундаментальных физических величин, как масса, плотность, температура, теплота, удельная теплоемкость. Все аномалии воды связаны с особенностями строения ее молекул и меж-молеку лярного взаимодействия. В гл. II (стр. 86) уже говорилось о наличии водородных связей между молекулами воды. Твердая вода — лед — характеризуется хорошо упорядоченной ажурной структурой. Важная роль в образовании кристаллической структуры льда принадлежит водородным связям. [c.217]
Аналогичные выражения справедливы для теплоемкости п коэффициента теплового расширения. Структурные величины обычно сильно зависят от температуры. При комнатных (и более низких) температурах структурные вклады аномально велики. Так, в случае сжимаемости KstrlKoa ., b [170], в то время как для большинства других жидкостей это отношение меньше единицы [171]. В конечном счете все аномалии воды обусловлены лабильностью структуры воды в отношении воздействия теплом или давлением. В ряду наиболее характерных аномалий воды — резко нелинейная температурная зависимость объема, сжимаемости и теплоемкости с положительной второй производной. Это проиллюстрировано на рис. 3.7 на примере объема и сжимаемости воды и, для сравнения, сжимаемости нормальных жидкостей — спиртов и ртути [172—175]. [c.52]
В современной науке преобладает мнение, согласно которому плавление льда сопровождается не полным, а лишь частичным разрушением его кристаллической структуры, отдельные пустоты которой заполняются гидролями. С этой точки зрения, основная масса жидкой воды слагается при обычных условиях не из полигидролей (доп. 7), а из менее или более разрыхленной и искаженной кристаллической сетки льда, нахо-дяшейся в состоянии непрерывной перестройки. В свете этих данных плотностную аномалию воды (доп. 9) можно истолковать следующим образом от О до 4 °С основное значение имеет повышение среднего числа окружающих каждую молекулу Н2О ближайших соседей, а при дальнейшем нагревании — увеличение среднего расстояния между ними. [c.141]
Отклонения от линейного закона фильтрации были обнаружены еще в конце 19-го века (Ф. Кинг) при исследовании водопроницаемости грунтов. Фильтрационные аномалии воды и других низкомолекулярных жидкостей связывались с действием капиллярного давления (Т.Н. Пузыревская, С.А. Роза), проявлением неньютоновских свойств жидкости (В.А. Флорин, Н.В.Чураев) или возникновением адсорбционных слоев жидкости на поверхности поровых каналов (Д.Макхафик и Л. Лернер, В. Харди, Б.В.Дерягин), уменьшающих эффективное сечение последних. Во второй половине прошлого века по мере усовершенствования техники измерений были исследованы параметры адсорбционных слоев воды и их влияние на характер течения в отдельных капиллярах [c.6]
Внимание, уделяемое изучению природы воды и ее роли в различных и особенно комплексных соединениях, непрерывно растет. Усиление интереса к природе воды вызвано не столько увеличением числа веществ, в составе которых она обнаружена, сколько тем, что эта миниатюрная, предельно простая молекула проявляет в этих веществах все новые и новые свойства. Наряду с хорошо известными аномалиями воды, такими как тепловое расширение, вязкость и теплопроводность, в последние годы обнаружен еще целый ряд совершенно новых, ранее никогда не предсказывавшихся и поэтому неожиданных свойств воды. Это, во-первых, очень высокая способность паров воды растворять при 400 С такие практически не растворимые при нормальных условиях вещества, как А12О3, Ре Оз, СаСОзИдр. 101, 156, 399], во-вторых, повышение предельных концентраций многих неорганических веществ в водных растворах, набухание клеток и протоплазмы и изменение объемов смешения водных растворов со спиртом под влиянием магнитного поля [165, 172] и, наконец, изменение во времени спектра ядерного магнитного резонанса воды, уже достигшей постоянной температуры [277]. [c.5]
Прочность водородных связей составляет примерно 17— 33 кдж1моль и превосходят энергию вандерваальсовского взаимодействия ( 4 кдж1моль) в четыре—восемь раз. Эластичность водородных связей допускает сосуществование разнообразных структур в различных кристаллических модификациях льда, упомянутых выше. Наличием водородных связей объясняются также аномалии воды, проявляемые в некоторых ее свойствах (табл. 3). [c.10]
Подобие геометрического строения льда I и воды положено в основу мо- дели, предложенной Самойловым, объясняющим аномалии воды прогресси- рующим с ростом температуры заполнением пустот структуры льда молекулами воды, совершающими трансляционное перемещение из прежнего лоло-жения равновесия в разрушающемся и при этом все более искажающемся каркасе. Форшлинд подсчитал, что в жидкой фазе при 0° С количество таких молекул составляет примерно 16% их общего числа. [c.37]
Теория ассоциации молекул воды позволяет объяснить причину одного из важнейших свойств воды — ее плотностную аномалию. Как известно, максимальная плотность воды (1,0 г1слА) соответствует температуре +4°, а лед имеет значительно меньшую плотность—0,92 г1см . Предполагается, что в воде при 4° присутствует максимальное число удвоенных молекул воды. Плотностная аномалия воды сыграла важную роль в формировании окружающего нас мира и сохраняет важное значение в наши дни. [c.9]
Тамману (Ташшапп, 1926) удалось впервые приблизительно вычислить степень ассоциации воды на основе изменения объема. Далее в результате сравнения инфракрасных абсорбционных спектров льда и воды удалось установить, что ассоциация молекул в жидкой воде, по крайней мере частично, близка структуре обычного льда. Кроме того, Редлих (Redli h, 1929) показал, что число ледяных молекул с повышением температуры быстро убывает. Точно так же они начинают исчезать при увеличении давления или при добавлении электролита (повышение внутреннего давления , Тат-шап). Однако даже при 100° жидкая вода еще в значительной степени ассоциирована. Последнее, между прочим, подтверждается сравнением водородных соединений аналогов кислорода с водой, имеющей аномально высокую температуру кипения (см. гл. 15). Наконец, Эйкен (Епскеп, 1948—1949) показал, что ассоциация воды осуществляется в результате образования ди- и тетрамеров (очевидно, и три- и пентамеров), и, кроме того, вблизи 0° образуются агрегаты из восьми молекул. Можно указать их приблизительное распределение в зависимости от температуры. Агрегаты из восьми молекул возможность существования которых резко уменьшается с температурой) являются как раз теми, которые обладают льдоподобной структурой. Они занимают наибольший объем, и в основном с их образованием связана термическая аномалия воды. [c.71]
chem21.info
Аномальная вода - гипотезы и факты
Член-корреспондент АН СССР Б. ДЕРЯГИН
Мне представляется, что история исследования аномальной воды может заинтересовать самый широкий круг читателей. Явления, обнаруженные исследователями, необычны и неожиданны; путь исканий, пройден ный ими, может быть предметом размышления для тех, кто интересуется методологией науки.
Следует начать с признания, что название «аномальная вода» довольно двусмысленно, поскольку самая обычная вода ведет себя во многих отношениях не так, как другие жидкости, и потому сама представляет собой образец аномальности (аномалия — отклонение от нормы). Наоборот, аномальная вода, о которой речь будет идти дальше, в некоторых отношениях, например, в отношении теплового расширения, ведет себя «нормально».
Обычная вода выделяется прежде всего особенностями теплового расширения. Из школьных учебников известно, что почти все тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Вода ведет себя иначе. Она уменьшает свой объем при охлаждении от 100° до 4°, но в интервале от 4° до 0° опять начинает расширяться. Самая большая плотность воды соответствует температуре + 4°.
При дальнейшем охлаждении вода переходит в твердое состояние. Момент перехода сопровождается резким приращением объема (примерно на 10%) и соответствующим уменьшением плотности. Вот почему лед плавает на воде. Все другие вещества (за редким исключением) тонут в жидкостях, образовавшихся при их плавлении.
Аномалии воды имеют огромное значение для сохранения жизни в водоемах. Лед плавает на поверхности воды и предохраняет благодаря своей низкой теплопроводности от промерзания весь водоем.
Меньше известна другая особенность воды — необычное изменение ее теплоемкости (количество тепла, необходимое для повышения температуры на 1°). Как правило, теплоемкость тела — величина непостоянная. По мере повышения температуры она также возрастает. У воды же при нагревании ее от 0° до 35° теплоемкость не увеличивается, а падает. Однако в интервале от 35° до 100° теплоемкость снова начинает расти.
Как видно из приведенных примеров, которые можно было бы продолжить, вода действительно ведет себя не как обычная жидкость. Причина такого поведения воды при нагревании заключается в особенности ее структуры, то есть взаимного расположения соседних молекул.
В то время как молекулы кристаллов располагаются по узлам правильной решетки в строгом порядке, которому подчиняются даже далеко отстоящие молекулы, в. жидкостях существует только ближний порядок.
В 1962 году советские ученые опубликовали сообщение об открытии новой формы воды с весьма необычными свойствами. Аномальная вода вызвала много споров в научных кругах, ведущихся до сих пор. В предлагаемой статье один из авторов открытия подводит итоги исследований аномальной воды в нашей стране и за рубежом.
Как лед, так и вода отличаются от других жидкостей рыхлостью своей структуры, которая к тому же резко меняется с температурой. Этим и объясняются аномалии обычной воды. В свою очередь, рыхлость структуры льда и воды обусловлена действием так называемой «водородной связи». Атом водорода, как мост, скрепляет два кислородных атома, принадлежащих двум разным молекулам воды. При этом энергия, которая осуществляет эту связь, промежуточна между энергией обычной химической связи (действующей, например, между атомами О в Н в одной и той же молекуле воды) и энергией молекулярного притяжения соседних молекул. Атом кислорода, входящий в состав каждой молекулы воды, способен соединяться водородными мостиками с четырьмя другими атомами кислорода. Связь осуществляется четырьмя атомами водорода; два из них входят в химический состав рассматриваемой молекулы, а два других принадлежат двум другим молекулам. Таким образом, вокруг мблекул воды в пространстве расположены четыре водородных мостика (рис. 1). В наиболее чистом и полном виде подобная система водородных мостиков образуется в кристалле обыкновенного льда. В нем каждая молекула объединена водородной связью точно с четырьмя ближайшими соседями. В целом кристалл представляет собой каркасное сооружение, образованное «сеткой» водородных связей со множеством пустот между ними. Именно при таком строении возникает та самая ажурная структура льда, которая объясняет ряд его свойств, и частности способность плавать на воде. Учитывая квазихимический (то есть как бы химический) характер водородной связи, про кристалл льда можно сказать, что он представляет собой одну полимерную молекулу, в которой кислород «как бы» четырехвалентен. При плавлении льда идеальная правильность расположения молекул воды и строения сетки водородных связей нарушается. Чем выше подымается температура, тем все большее число водородных мостиков разрушается под действием теплового движения, в молекулы занимают все более плотную упаковку. Пустоты в структуре воды уменьшаются. Поэтому вода сжимается, несмотря на то, что тепловое движение одновременно стремится увеличить среднее расстояние между молекулами. Только выше +40º Ц последняя тенденция берет верх, и вода начинает расширяться.
Рис. 1 Молекула воды (а центре) связана с четырьмя ближайшчми соседними молекулами водородными связями.
Рис. 2 Тепловое расширение столбиков воды в капиллярах разного радиуса. Кривая, намерченная двойной линией,— радиус капилляра 2 микрома. Пунктирная кривая — радиус капилляра 0,1 микрона. Сплошная прямая — радиус капилляра 0,02 микрона.
Рис. 3 Рождение и рост вторичных столбиков воды.
Рис. 4 Поведение столбиков аномальной воды при охлаждении. Кривая А показывает, как ведет себя нормальная вода. Минимум объема она имеет при 4° Ц. Ниже нуля она замерзает не сразу (это характерно для поведения малых объемов воды) и продолжает расширяться с понижением температуры. И, наконец, в некоторый момент она превращается в лед, резким скачком меняя свой объем. Если столбик льда нагревать, то плавление и резкое укорочение столбика происходят точно при 0º Ц. Кривые В, С, Д соответствуют столбикам, в которых концентрация аномального компонента повышается. Чем выше концентрация носителя аномальности, тем больше кривая расширения отличается от кривой для чистой воды. Кривую Д (чистая аномальная вода) получили после длительного выдерживания исходного столбика в вакууме, что привело к испарению нормальной воды. В результате ни при какой температуре нельзя было наблюдать ни помутнения, ни скачкообразного расширения. При охлаждении до температур — 45° — 50°Ц кривая монотонного сжатия испытывает излом, становясь почти горизонтальной. Такое поведение свойственно всем жидкостям, которые при охлаждении не кристаллизуются, а вследствие огромного роста вязкости переходят в стекловидное состояние (например, глицерин, смолы).
И вдруг ученые столкнулись с отсутствием этой аномалии, ставшей хрестоматийным примером. Это произошло в 1959 году, когда Н. Федякин наблюдал расширение столбиков воды в сверхтонких капиллярах. На рисунке 2 приведена серия кривых, изображающих прирост длины столбика воды в зависимости от температуры в стеклянных капиллярах различного радиуса. В капиллярах с радиусом, большим 1 микрона, вода рас ширяется так, как это известно из школьных учебников, обнаруживая минимум длины и, следовательно, максимум плотности при +4° Ц. Для очень узких капилляров расширение идет уже иначе. В самых узких — меняется до неузнаваемости. Для них исчезает минимум длины, коэффициент расширения во всем изученном интервале температур делается постоянным, следовательно, аномалия расширения воды полностью исчезает.
Опыты Н. Федякина можно объяснить так. В очень узких капиллярах благодаря влиянию стенок затрудняется образование каркаса из водородных мостиков между молекулами воды. Это снимает ограничение на число бляжаяших соседей и позволяет молекулам располагаться более плотно. Поэтому с повышением температуры не происходит дальнейшего уплотнения, как в случае обычного состояния воды вблизи нуля по Цельсию, но вода в узких капиллярах расширяется, как «нормальные» жидкости. Веер кривых, изображенных на рисунке 2, мог быть получен Н. Федякиным только благодаря разработанной им замечательной технике вытягивания и калибровки тончайших капилляров, с радиусом до 160 ангстрем. Однако самое важное наблюдение было им сделано в сравнительно широких капиллярах с радиусами около одного микрона и более.
Запаивая в капилляр радиусом около микрона столбика воды и некоторых других жидкостей (метиловый спирт, уксусная кислота, ацетон), Н. Федякин наблюдал их длительное время. Им было отмечено рождение новых, дочерних столбиков, которые появлялись (см. рис. 3} на некотором расстоянии от менисков исходного столбика и росли за счет укорочения последнего. Систематический характер этого явления требовал объяснения, и Н. Федякин заключил: рост дочерних столбиков за счет материнского указывает, что давление насыщенных паров первых было ниже «нормального», имевшегося у последнего. Различно давления насыщенных паров при одинаковом химическом составе приводило к, казалось бы, единственно возможному выводу: первичные и вторичные столбики имеют различную структуру.
В дальнейшем (в работе Н. Федякина и автора этой статьи) было показано, что жидкость вторичных столбиков имеет вязкость, в несколько раз большую, чем у первичных. Исследования были продолжены в отделе поверхностных явлений Института физической химии Академии наук СССР под совместным руководством Н. Чураева и автора.
Первые результаты наблюдений были опубликованы в 1962 году. Тогда же было высказано первое возражение, тривиально объяснявшее наблюдаемое явление выщелачиванием стекла под пленкой, образующейся при конденсации паров воды и других жидкостей. Чтобы опровергнуть это возражение, в вашей лаборатории были поставлены опыты по получению аномальных столбиков в кварцевых, притом более широких капиллярах в условиях вакуума. В этих условиях роль выщелачивания резко уменьшалась, однако столбики продолжали образовываться.
Природа аномальных столбиков несколько прояснилась после наблюдений над ходом изменения их длины при изменении давления паров воды вокруг них и при отрицательных температурах. Оказалось, при постоян ном давлении паров вокруг капилляров длины аномальных столбиков через некоторое время принимают постоянное значение. Если после этого давление паров меняли, то устанавливалась новая длина столбика — меньшая или большая —в прямой зависимости от изменения давления. Такое поведение доказывало содержание в аномальных столбиках какого-то растворенного в воде, мало летучего вещества.
Это подтвердилось в опытах, проведенных при отрицательных температурах (см. кривые на рис. 4). По сравнению с нормальной водой (кривая А) столбики воды, полученной при конденсации ее паров (например, кри вая В), ведут себя иначе. Минимум длины у них сдвинут влево, а скачок длины при замерзании меньше, а при нагревании наблюдается плавное уменьшение длины. Как видно на графике, петля замыкается при неко торой отрицательной температуре. Аномальные столбики при скачкообразном расширении мутнеют, и это их резко отличает от обыкновенных. При дальнейшем нагреве становится видно, что содержимое аномальных столбиков состоит из капельновидных включений. Их показатель преломления меньше, чем у всей остальной жидкости. С повышением температуры число и размеры включений уменьшаются — они как бы тают. В действительности же, как показало более внимательное изучение, эти включения оказываются частицами чистого льда. Находясь в окружении аномальной воды, последняя льдинка растаивает при некоторой температуре ниже нуля.
Рис. 5 Камера В. Карасева и Ю. Лужкова для получения максимально чистой аномальной воды. Она состоит из отделения, содержащего несколько сотен кварцевых капилляров, изолированного тонкой стеклянной перегородкой от отделения с источником паров (выпариеателя). После длительного вакуумирования с нагревом до 400° Ц перегородка разбивается, и начинается контакт капилляров с парами воды, длящийся несколько недель. В результате в части капилляров образуются столбики аномальной воды.
В чем же причина удивительного поведения аномальной воды? Согласно одной из гипотез, ее следует искать в образовании прочных молекулярных комплексов состава (Н2О)n, возникающих при конденсации паров на поверхностях стекла или плавленого кварца. После выпаривания молекул обычной воды остаются только эти комплексы, которые образуют, согласно гипотезе, то, что мы будем для краткости называть водой II. Если желательно оставить вопрос о составе ее открытым, то лучше пользоваться термином «аномальный компонент».
Вода II (сверхплотная вода, или поливода, как называют ее иногда на Западе) получается в ничтожных количествах — порядка микрограмма в столбике. Однако она стойко сохраняет свои свойства. В результате тонких экспериментов (подробное описание которых чрезвычайно перегрузило бы наш рассказ) была измерена плотность аномального компонента и его коэффициент преломления. Плотность оказалась равной 1,4. Показа тель преломления: 1,48—1,49.
Интересно, что показатель преломления и плотность обыкновенной и воды II оказались между собой в некотором соответствии, которое позволяло отнести увеличение преломляющей способности воды II по сравне нию с водой I полностью за счет увеличения числа молекул воды в единице объема.
На следующий важный вопрос: насколько все же велика устойчивость молекул аномального компонента и что за силы их цементируют? — ответ дали опыты Я. Рабиновича и М. Талаева, в которых столбики аномаль ной воды перегонялись из одного конца капилляра в другой. При нагревании исходного столбика воды в левой части капилляра до температуры не выше 50—80 градусов концентрация воды II в столбике росла ввиду ее нелетучести при этой температуре, а конденсат паров представлял собой чистую воду. Этим способом удалось отделить воду II от воды I. При повышении температуры выше 150 градусов начинает перегоняться и вода II. При 300 градусах перегонка заканчивается довольно быстро, при этом конденсат (столбик справа) будет обладать примерно теми же свойствами (показателем преломления и точкой окончания плавления), что и исходный столбик. Это позволяет заключить, что молекулы воды 11 при испарении и перегонке не разрушаются — в противном случае конденсат был бы по свойствам ближе к нормальной воде, чем исходный столбик. Еще больше убеждает в этом перегонка воды через тепловой барьер — зону, в которой капилляр нагревается снаружи спиралью. Когда температура барьера превышала 700—800 градусов, конденсат ничем не отличался от нормальной воды. Из этого следовало, что при такой температуре пары аномального компонента распадаются, выделяя в качестве продукта распада обычную воду.
Первые публикации о работах по получению и aнализу свойств аномального компонента и его растворов в обычной воде были встречены весьма сдержанно и даже скептически. Слишком уж необычны были результаты этих исследований. Кажется, что-что, а вода изучена так хорошо, что от нее никак нельзя было ждать подобных сюрпризов. И вновь возникал вопрос всех сомневающихся: не объясняются ли свойства аномальной воды наличием в ней посторонних примесей?
Обратимся к фактам. Прежде всего тривиальному объяснению явления наличием водорастворимых примесей противоречит то, что изменение свойств жидкости происходит лишь в специфических условиях конденсации ее паров на поверхности кварца при сравнительно низких температурах (от -(-30° до —40° Ц). Такого результата невозможно было достичь при введении в те же капилляры жидкой воды даже при условии продолжительного контакта при повышенной — до 400 градусов — температуре. Даже после длительного контакта с высокоразвитой (то есть обширной по площади) поверхностью порошка силикагеля (SiO2) при повышенной температуре обычная вода существенно не изменяла своих свойств. Все же эти доводы в пользу «полимерной» гипотезы строения молекул аномального компонента носят несколько косвенный характер. Прямым доказательством было бы получение образцов воды II со столь малыми примесями органических или неорганических веществ, присутствие которых не могло бы объяснить ее удивительных свойств. Однако до недавнего времени этого не удавалось осуществить вполне надежно.
Недавно в нашей лаборатории была разработана методика, позволяющая на одном и том же образце исследовать концентрацию самых различных «примесных» атомов, что дает более точные сведения о составе стол биков.
В работе, проведенной нашей лабораторией совместно с лабораторией Института химической физики АН СССР под руководством В. Тальрозе, был применен метод анализа на углерод (следовательно, на содержание органических веществ), разработанный В. Тальрозе. Пря тщательном устранении загрязнений в цельнопаянных приборах (рис. 5) могут быть получены аномальные столбики с содержанием органических примесей не более 1% от количества аномального компонента. Такое малое содержание примесей не способно вызвать столь резкие отличия свойств аномальной воды от обычной.
Еще более убедителен вывод, который вытекает из измерения поверхностного натяжения столбиков: в столбиках с концентрацией воды II порядка 20 процентов поверхностное натяжение повышено на 3 процента. Та кое повышение невозможно приписать никакому из известных органических веществ при максимально возможной концентрации в 1%. При других условиях получения аномальный компонент может содержать весьма большие количества органических примесей. Что касается неорганических примесей, то их содержание, определявшееся в разных лабораториях, весьма сильно колеблется. При этом одни исследователи считают основной причиной, объясняющей образование и свойства аномальных столбиков, заползание в капилляры снаружи тех или иных загрязнение (например, галоидных солей, сульфатов, боратов). Другие считают основной причиной растворение кварца, которое при конденсации паров воды по той или иной причине вдет гораздо интенсивнее, чем при контакте с жидкой водой. Третья предъявляют данные, доказывающие возможность получать аномальный конденсат, содержащий посторонние атомы в количествах (доли процента), недостаточных для объяснения свойств этого конденсата. Вопрос, таким образом, остается предметом дискуссии. Другая возможность окончательного решения вопроса о существовании полимерных молекул воды состоит в их отделении от примесей, например, хроматографическими методами. Задержки и трудности на этом пути связаны с малыми количествами продукта, которые пока удается получать. К косвенным доводам в пользу существования полимерных молекул воды принадлежит прежде всего сходство свойств воды II, полученной в различных лабораториях в ряде стран. В разных лабораториях на различных «подкладках» (SiO2, MgO) получают конденсат с малой летучестью и с тем же характерным спектром поглощения в инфракрасной части спектра, который обнаружили Е. Липпинкотт и Р. Стромберг.
Наконец, оказалось, что растворенный в воде I аномальный конденсат, полученный как нами, так и в лаборатории Бруммера (США), имеет определенный молекулярный вес, примерно в десять раз больший, чем мо лекулярный вес Н2О.
В настоящее время в СССР, США, Англии, Бельгии, Италии, Австралии опубликовано большое количество работ, содержащих экспериментальные и теоретические исследования аномальной воды.
Часть их обсуждалась на пяти симпозиумах (в США). Все же природа аномальной воды остается невыясненной, и исследования продолжаются. Наименее удовлетворительна теоретическая сторона. Было предложено несколько моделей строения «поливоды», но, по-видимому, ни одна из них не обладает достаточной надежностью. В то же время начались поиски других поверхностей, на которых «поливода» могла бы получаться в больших количествах. Наибольший интерес вызывает появившееся в апреле 1971 г. в журнале «Nature» сообщение австралийских ученых Мидлехерста и Фишера о получении слоя аномальной воды толщиной до 100 микронов ва грани куба монокристалла периклаза (состав 99,95% MgO).
Это означает, что с единицы площади получается «урожай» во много раз больший, чем с поверхности кварца. В настоящее время это сообщение нами проверяется.
Во всяком случае, число опубликованных работ, принадлежащих ученым самых различных специальностей (физико-химики, коллоидники, оптики, физики, биохимики, специалисты по квантовой химии и теории жидкого состояния), и разнообразие (около 40) примененных методов исследования говорят, во-первых, о трудности проблемы и, во-вторых, о большом интересе к ней ученых различных областей наука. Дело не только или не столько в том, существует ли «чистая» полимерная вода, а в том, что конденсация паров некоторых жидкостей на определенных поверхностях может сопровождаться явлениями, ранее неизвестными.
По-прежнему остается невыясненным вопрос: каков механизм появления молекул воды II при конденсации паров воды I на поверхности плавленого кварца или стекла?
Очевидно, здесь должна идти речь о новом типе катализа — конденсационном катализе, ибо простой контакт жидкой воды с теми же поверхностями к стойким изменениям не приводит. Роль поверхности столь же существенна: при конденсации паров воды на поверхности кварца или стекла, уже покрытой пленкой обычной воды, «поливода» не возникает.
В заключение отвечу на обычно задаваемый вопрос: почему вода II не была найдена раньше в природе, например, при исследованиях изотопного состава природных вод, когда плотность измеряется с точностью до 4-го или 5-го знака после запятой?
На это можно ответить, что, прежде чем исследовать прецизионными методами природную воду, ее очищают от примесей (соли, почвенные коллоиды и органические вещества) перегонкой при 100° Ц. Молекулы воды II, как нелетучие, остаются при этой температуре с примесями и не попадают на исследования. Таким образом, вопрос о существовании воды II на Земле остается открытым.
Источник - agroportal.su/?p=779
www.o8ode.ru
Аномалии воды - Информация
Муниципальное общеобразовательное учреждение
Курумоченская средняя общеобразовательная школа
Волжский район Самарская область
Аномалии воды.
Реферат выполнил
ученик 9 класса Г
Прокофьев Александр
Руководитель-
учитель химии высшей категории
МОУ Курумоченской СОШ
Карпова Марина Алексеевна
с. Курумоч
2006 год.
Содержание.
Введение.
Аномалии воды.
1. Состав воды.
2. Строение молекулы.
3. Аномалии. Физические свойства.
4. Химические свойства.
5. Применение воды.
Заключение.
Список литературы.
Приложения.
Введение.
Вода дороже золота…
Антуан де Сент-Экзюпери.
Вода это не только реки, моря, океаны, ледники, облака, дождь, снег. Ее находят в пустынях, которые называются безводными. Вода содержится в горных породах. Даже в расплавленной магме она присутствует в значительных количествах и выделяется в виде пара при извержении вулканов. Ни один процесс на Земле гео- или техногенный не проходит без участия воды. Да и сама жизнь на планете оказалась возможна только благодаря замечательным свойствам воды.
Данная тема реферата была выбрана потому, что вода мало изучается в школьном курсе. Она важна тем, что сейчас многих ставят в тупик мало или совсем не изученные свойства воды. Эта тема представляет очень большую научную ценность, так как вода, хоть и самое изученное вещество на Земле, но хранит в себе огромное количество тайн и загадок, порой необъяснимых.
Материалом для написания реферата послужили: журнал Химия в школе №7 за 2001 год; учебники по химии за 9 и 8 классы.
Целью данной работы является подробное теоретическое изучение аномалий воды. Для этого необходимо решить следующие задачи:
- Изучение структуры, состава, химических и физических свойств воды.
- Установление аномальности в свойствах воды.
- Установление причин ее аномальности.
Чистая вода бесцветная жидкость, без вкуса и запаха, кипит при 100С (при давлении 101,3 кПа), замерзает при О С, ее максимальная плотность (при 4 С) равна 1 г/см3
На первый взгляд, вода кажется очень простым соединением, состоящим из атомов водорода и кислорода. На самом деле это самое аномальное вещество в мире.
Некоторые аномалии в свойствах воды:
- Ближайшие родственники воды - сероводород и селеноводород - газы, хотя их молекулярные массы в несколько раз превосходят массу молекул воды.
- Воду трудно испарить. Ее удельная теплота испарения выше, чем у всех известных веществ.
- Температуры плавления и кипения воды гораздо выше, чем можно было бы ожидать исходя из закономерностей изменения этих параметров в ряду h3Oh3Sh3Se.
- Поверхностное натяжение воды выше, чем у всех других жидкостей (кроме ртути).
1. Состав воды.
При разложении воды электрическим током образуются газы: водород два объема и кислород один объем. Зная, что 1 л водорода при нормальных условиях имеет массу 0,089 г, а 1 л кислорода 1,429 г, можно вычислить массовые отношения выделившихся газов:
(0,089- 2): 1,429 1:8
Так как в молекуле воды не может быть меньше одного атома кислорода (16 а.е.м.), а простейшее массовое отношение водорода к кислороду равно 1:8, то в молекуле воды должно быть два атома водорода (2 а.е.м.). Следовательно, формула воды Н2О.
В таких же массовых отношениях водород и кислород реагируют при образовании воды. Для проведения этой реакции используют эвдиометр который представляет собой толстостенную трубку с делениями, закрытую резиновой пробкой с вставленными медными проволочками. Трубку заполняют дистиллированной водой и опускают открытым концом в сосуд. В эвдиометр вводят два объема кислорода и два объема водорода . Свободные концы проволочек соединяют проводами с индукционной катушкой, а последнюю с источником электрического тока. Между сближенными концами проволочек проскакивает искра и происходит взрыв. Вода в трубке эвдиометра поднимается на три деления . Остается один объем газа, в котором тлеющая лучинка вспыхивает, это кислород,
Следовательно, при образовании воды, так же как и при ее разложении, два объема водорода соединяются с одним объемом кислорода.
2. Строение молекулы.
Как известно, свойства химических соединений зависят от того, из каких элементов состоят их молекулы, и изменяются зак
www.studsell.com
Аномалии физических свойств воды | Удивительные свойства воды — Гейзер
12.08 2009, 15:52 РИА «Новости»
Аномальные свойства воды, определяющие, в том числе, и наличие жизни на Земле — её переменная плотность, высокая теплоемкость и большое поверхностное натяжение, объясняются двумя типами структур, в которые самоорганизуются молекулы жидкости, уверены авторы нового исследования, опубликованного в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Ученым давно были известны 66 необъяснимых свойств воды, отличающих её от большинства других химических веществ, встречающихся в жидком состоянии. Так, в отличие от всех известных жидкостей, плотность которых монотонно увеличивается с понижением температуры, плотность воды максимальна при 4 градусах Цельсия, а при дальнейшем понижении температуры вновь начинает убывать. Это уникальное свойство воды делает возможной жизнь в реках и озерах — в противном случае эти относительно мелкие водоемы неизбежно промерзали бы до дна в зимний период и были бы лишены всех живых организмов, за исключением, может быть, простейших бактерий экстремофилов.
Вода обладает огромной теплоемкостью — благодаря этому теплые океанические течения согревают многие северные регионы планеты, принося тепло из южных широт.
Аномально высокое поверхностное натяжение жидкой воды не только позволяет некоторым насекомым спокойно ходить по её поверхности, но и благодаря капиллярным силам обеспечивает поступление питательных веществ к кронам гигантских деревьев, достигающих нескольких десятков метров в высоту.
Объяснить эти свойства на основании лишь строения и химических параметров молекул воды ученые до последнего времени не могли. Секрет крылся в структуре, в которую самоорганизуются молекулы жидкой воды. Он долгое время оставался неразгаданным, так как изучить эту структуру теми же методами, что применяются для изучения строения твердых тел, практически невозможно.
Команда Андерса Нильсона (Anders Nilsson), ведущего специалиста Стенфордского центра синхротронного излучения (Stanford Synchrotron Radiation Lightsource), сумела преодолеть эти трудности благодаря новейшим методам изучения строения жидкостей с использованием мощного рентгеновского излучения, получаемого с помощью больших ускорителей элементарных частиц, называемых синхротронами. Один из использованных в работе синхротронов находится в Японии, а второй в США.
Ученые выяснили, что существовавшие до сих пор представления о молекулярной структуре воды были неверными — оказалось, что её молекулы формируют не одну структуру, а одновременно два типа структур, сосуществующих в жидкости вне зависимости от температуры. Один тип структуры формируется в виде сгустков примерно по 100 молекул, структура которых напоминает структуру льда. Второй тип структуры, окружающей сгустки, гораздо менее упорядочен.
Увеличение температуры вплоть до точки кипения воды приводит к некоторому искажению структуры сгустков и уменьшению их количества и доминированию разупорядоченной структуры.
«Этот процесс можно представить как танцевальный клуб, где часть людей сидит за столиками, отражая упорядоченную компоненту воды, а часть находясь в толпе, непрерывно перемещается в танце, отражая разупорядоченную. Увеличение температуры воды в этом случае можно сравнить с всеобщим поднятием настроения и ускорением музыки, когда люди начинают вставать из-за столов и присоединяться к танцующим, а часть пустующих столов и вовсе убирается для высвобождения места. Охлаждение — обратный процесс, когда танцпол заполняется столами, и за них присаживаются утомленные танцами гости клуба. При этом при одной и той же “температуре” танцующие и сидящие люди постоянно меняются местами — некоторые присаживаются отдохнуть а некоторые наоборот идут танцевать, тогда как общее соотношение танцующих и сидящих остается прежним» — пояснил результаты работы Нильсон, слова которого приводит пресс-служба Стенфордского центра линейных ускорителей в США.
Это, в частности, объясняет нелинейную зависимость плотности воды от температуры — упорядоченные скопления молекул имеют меньшую плотность, чем неупорядоченные, и она мало меняется с изменением температуры, которую можно сравнить с постоянным размером столов, не зависящим от настроения собравшихся или громкости музыки в ресторане.
geizer.com
Аномальная вода
Если это так, то особое Божественное попечение о воде придало этому веществу и какие-то особые, уникальные свойства, которые больше нигде, кроме воды, не встречаются. Что может сказать по этому поводу наука? Еще в первой половине XIX века натуралисты обнаружили, что некоторые из характеристик воды нарушают общепринятые законы природы, что в этих несоответствиях присутствует Божественный замысел, и что они являются доказательством того, что вода была сотворена ради существования жизни. Позже известным русским ученым Дмитрием Менделеевым была составлена периодическая таблица, на основании которой он предсказал существование еще не известных науке элементов, а также свойства этих элементов и их соединений. Так вот оказалось, что вода не признает никаких закономерностей этой периодической системы. Согласно логике этой системы, вода должна была бы замерзать при -90°С, а она замерзает при 0°С, кипеть при -70°С, а она кипит при 100°С. И это далеко не все, что делает воду уникальным веществом. Академик И.В. Петрянов по поводу загадочных свойств воды утверждает следующее: «Почти все физико-химические свойства воды — исключение в природе. Она действительно самое удивительное вещество на свете. Ученые уже немало узнали о воде, разгадали многие ее тайны. Но чем больше они изучают воду, тем больше убеждаются в неисчерпаемости ее свойств, некоторые из которых настолько любопытны, что порой все еще не поддаются объяснению». Несмотря на то, что вода принята за эталон меры плотности, объема и т.д. для других веществ, сама она, как это не странно, является самым аномальным среди всех веществ.Аномальное поведение воды при замерзанииОдним из таких неповторимых свойств воды является ее способность расширяться при замерзании. Ведь все вещества при замерзании, то есть при переходе из жидкого состояния в твердое, сжимаются, а вода наоборот — расширяется. Ее объем при этом увеличивается на 9%. Попробуем представить на мгновение, что бы случилось зимой в природе, если бы лед тонул. Реки, озера, приполярные моря и океаны промерзли бы до самого дна, и все живые организмы в них погибли бы. Но когда на поверхности воды образуется лед, то он, находясь между холодным воздухом и водой, препятствует дальнейшему охлаждению и промерзанию водоемов. Это необычное свойство воды, кстати, важно и для образования почвы в горах. Попадая в маленькие трещины, которые всегда найдутся в камнях, дождевая вода при замерзании расширяется и разрушает камень. Так, постепенно каменная поверхность становится способной приютить растения, которые своими корнями довершают этот процесс разрушения камней и приводят к образованию на склонах гор почвы.Четыре градуса выше нуляЕще одно удивительное свойство воды связано с ее особым состоянием при температуре +4°С. При этой температуре она обладает максимально возможной для себя плотностью, а значит — и тяжестью. Вода при этой температуре тяжелее, чем при какой-либо другой, и поэтому всегда будет опускаться в водоеме на дно. Но долго ли она там пробудет? Дело в том, что дно водоема, как правило, или теплее или холоднее этой воды, Поэтому слои воды с температурой +4°С, достигнув дна, будут или нагреваться или охлаждаться, а после этого всегда всплывать на поверхность. Вследствие этих процессов в водоеме всегда будет происходить перемешивание слоев воды. А это очень важно для жизни, так как вода у дна какого-либо тихого пруда или озерца всегда бедна кислородом, и если бы не происходило перемешивания воды, обитатели водоема начали бы задыхаться от его нехватки.Аномальные тепловые свойства водыКак известно, вода, испаряясь с поверхности тела человека, животных и растений, предохраняет их от перегрева. Способность отдавать тепло в окружающую среду при испарении присуща любой жидкости. Однако когда ученые сравнили эти способности у разных жидкостей, то оказалось, что вода является здесь своего рода чемпионкой. По сравнению с любой другой жидкостью она отдает при своем испарении в окружающую среду самое большое количество тепла, что, безусловно, делает ее самым лучшим регулятором температуры нашего тела. Другое свойство воды, помогающее нам справляться как с перегревом нашего тела, так, впрочем, и с его переохлаждением, — это ее аномально высокая теплоемкость. Вода при нагревании на один градус поглощает в 5 — 30 раз больше тепла, чем какое-либо другое вещество. Поэтому и те процессы, которые происходят в нашем организме при интенсивной мышечной работе, вызывают не столь высокое поднятие температуры, как это было бы в случае других жидкостей. У соли, к примеру, такое же количество выделенного тепла вызвало бы поднятие температуры в 5 раз большее, чем у воды, у железа — в 10 раз, а у свинца — в 30 раз. Еще одно свойство воды, помогающее бороться организму с перегревом, — высокая теплопроводность. Если бы эта физическая константа имела бы меньшее значение, то выделяемое в процессе интенсивной физической работы тепло не передавалось бы так хорошо из глубины тела на его поверхность и, соответственно, не удалялось бы из организма вместе с потом. Такие удивительные свойства воды, помогающие нашему организму сохранять стабильную температуру, имеют значение и для жизни всей нашей планеты. Так, благодаря аномально высокой теплоемкости воды, на континентах не происходит резкого перепада температур зимой и летом, ночью и днем, поскольку они окружены своеобразным термостатом -водами Мирового океана. Летом он не дает Земле перегреваться, а зимой постоянно снабжает континенты теплом. Страны, расположенные вблизи океана, обладают мягким морским климатом. Напротив, безводные пустыни, находящиеся в глубине континентов, характеризуются резкими перепадами температуры, наблюдающимися даже в течение одних суток. Еще одно аномальное свойство воды, имеющее значение для жизни всей планеты, связано с тем, что она обладает не только аномально высокой теплотой испарения, предохраняющей наш организм от перегрева, но и аномально высокой скрытой теплотой плавления. У стали эта величина почти вдвое ниже, у свинца — ниже почти в 15 раз. Это свойство воды спасает нас от катастрофических весенних наводнений. Из-за медленного таяния льда и снега почва вбирает в себя достаточное количество влаги и тем самым предотвращает в некоторых случаях гибель растений во время засухи.Удивительное сочетаниеПодобное же сочетание полезных свойств, имеющих значение как дпя внутренних процессов организма, так и для жизни всей планеты, мы можем обнаружить и в других аномальных свойствах воды. Возьмем, к примеру, вязкость. Эта величина у воды имеет идеальное значение для обеспечения жизненных процессов в организме. Будь вязкость воды несколько ниже, вода бы неслась по тончайшим сосудам нашего тела с такой скоростью и силой, что разрушала бы эти сосуды. А если бы вязкость была несколько большей — течение воды в этих сосудах затормозилось, и все жизненные процессы в тканях нашего организма прекратились. Однако вязкость воды оказалась идеальной как для нашей жизни, так и для жизни любых других организмов. Значение вязкости воды идеально не только для внутренних процессов нашего тела, связанных с движением крови в кровеносных сосудах, но и для процессов, протекающих во внешней среде. И здесь мы опять сталкиваемся с чем-то аномальным: в отличие от вязкости других жидкостей, она снижается при повышении давления. Повышение температуры так-же понижает вязкость воды. Этот факт дает объяснение тому, почему подземные воды даже на больших глубинах при высоких давлениях и температурах довольно подвижны — они могут перемещаться, в том числе по направлению к поверхности земли и могут быть, в конце концов, использованы растениями или человеком. Возможность подобных перемещений обусловлена также необычными свойствами воды — сочетанием в ней высокого значения поверхностного натяжения и смачивания. Эта способность создает в почве и верхних слоях подпочвенного грунта так называемую подвешенную воду, которая, удерживаясь поверхностным натяжением, не стекает в более глубокие горизонты, обеспечивая растения влагой. Благодаря этому же явлению вода внутри деревьев поднимается с уровня почвы на высоту их кроны. Можно сказать, что одни и те же уникальные свойства воды в очередной раз оказываются необходимыми как для внутренней жизни организмов, так и для создания благоприятных условий их обитания. Подобное же сочетание внешнего и внутреннего эффектов относится и к замечательной способности воды растворять в себе различные вещества, что определяется особенностью ее внутренней структуры. Без этого свойства процессы жизнедеятельности не могли бы протекать в живых организмах. Однако это же свойство воды необходимо не только здесь, но и для жизни водоемов, где растворенные вещества играют исключительную роль.«Память» водыЕще в 1945 году бельгийский инженер запатентовал способ предохранения паровых котлов от пагубного воздействия накипи. Суть его изобретения заключалась в том, что воду, предназначенную для питания котлов, предварительно подвергали магнитной обработке, в результате чего накипь резко уменьшалась. Последующие исследования показали, что после обработки природной воды в магнитном поле изменяются многие ее физико-химические свойства. И аналогичные изменения в свойствах воды происходят не только при воздействии на нее магнитного поля, но и под влиянием ряда других физических факторов — звуковых сигналов, электрических полей, температурных изменений, радиации, турбулентности и т.д. Каков же может быть механизм подобных воздействий? Как известно, каждая молекула воды, состоя из одного атома кислорода и двух атомов водорода, имеет очень сложную пространственную организацию. В случае воды с ее простой формулой Н20, мы, на самом деле, сталкиваемся с необычно высокоорганизованной системой. Обычно жидкости, как, впрочем, и газы, характеризуются хаотичным расположением в них молекул. Но не такова природа «самой удивительной жидкости». Рентгеновский анализ структуры воды показал, что жидкая вода ближе по своей структуре к твердым телам, а не к газам, поскольку в размещении молекул воды явно прослеживалась некоторая регулярность — ближний порядок, характерный для твердых тел. Этот ближний порядок принято описывать таким понятием как микрокластеры, которыми называют небольшие устойчивые совокупности молекул воды. При этом ученые выяснили, что у воды, полученной, к примеру, в результате таяния льда, и у воды, полученной путем конденсации пара, структура ближнего порядка будет различная — их микрокластеры будут иметь разное строение. Опыт показывает, что на живые организмы благотворное влияние оказывает именно талая вода. Структурные различия воды сохраняются в течение определенного времени, что позволило ученым говорить о загадочном механизме «памяти»этой удивительной жидкости. Не вызывает сомнение тот факт, что вода некоторое время «помнит» осуществленное на нее физическое воздействие, и эта «записанная» в воде информация оказывает влияние на живые организмы, в том числе на человека. Ведь, как уже говорилось, в состав тела любого организма вода входит в весьма значительных количествах. И, как показали исследования, внутри организма вода находится в особом состоянии, еще более сходном с состоянием твердого тела, по сравнению с обычной водой. В этом плане вовсе не удивительно, что человеку, как и любому другому организму, вовсе небезразлично то, какие внешние воздействия были запечатлены в «памяти» той воды, которую он пьет. Это, впрочем, относится и к любым другим живым организмам. Существует также старинное поверье: хорошо поить скот грозовой водой. Да и для посевов летний дождик с грозой поистине живителен. Отличается такая вода от обычной, прежде всего, большим количеством ионизированных, положительных и отрицательных частиц. В то же время можно считать установленным научным фактом, что степень электризации поглощаемой животными влаги имеет огромное значение для протекания самых различных биологических процессов. Итак, вода способна сохранять в своей «памяти» разнообразные физические воздействия — это можно считать уже научно доказанным фактом. Но это удивительное свойство воды очень близко к тому, чем наука уже не занимается, но что известно из опыта духовной жизни человечества: вода может быть «хранительницей» и духовных воздействий, Вспомним о тех водосвятных молебнах, которые совершаются в православных храмах, а иногда и под открытым небом.
95live.ru
