Аномальні властивості води

     Ретельно  досліджуючи дане явище різними  методами, учені з'ясували, що:

     - усередині містка відбувається  перенос речовини (звичайно із  судини, у якому знаходився анод, у судину з катодом), при цьому  які-небудь закономірності не виявлені;

     - щільність води біля самих  країв склянок і в центрі містка розрізняється на 7%;

     - чим далі склянки один від  одного і чим більше часу  пройшло з початку експерименту, тим сильніше розігрівається  місток (від 20 до 60°С). Дослідники  припустили, що це пов'язано із  забрудненням води частками пилу (тоді, якщо вважати місток провідником  струму, його опір збільшується);

     - усередині містка відбуваються  високочастотні коливання (і їхня  поява обумовлена не поверхневим  натягом), що формують різні внутрішні  структури, що змінюються з  часом  і збільшенням температури містка;

     - при додаванні яких-небудь іонів  (наприклад, при введенні в  склянки мильного розчину) місток  не утвориться, тому що іони  взаємодіють з молекулами води  і утворять навколо себе сфери  з цих молекул. Як наслідок, якщо хлюпнути мило прямо в  ході досліду, внутрішня структура  містка руйнується, і він розбивається на краплі;

     - місток чуттєвий до впливу  зовнішніх електричних полів.  Електростатичний заряд на скляній  паличці, піднесеної до переправи,  викликає вигин містка убік  скляної палички й утворення  своєрідної арки.

     Чому  вода так поводиться, Фукс поки пояснити не може. Однак вважає, що пояснення  можна одержати, якщо зрозуміти високовпорядковану мікроструктуру води, що утвориться в містку під впливом електричного поля й електростатичних зарядів. Це буде ще одним шматочком у великій головоломці внутрішньої структури води.

     Вивчення  структури рідкої води ще не закінчено; воно дає всі нові факти, поглиблюючи  й ускладнюючи наші представлення  про навколишній світ. Розвиток цих  представлень допомагає нам зрозуміти  багато аномальних властивостей води й особливості взаємодії її, як розчинника, з іншими речовинами. 

У періодичній  системі елементів Д.І. Менделєєва кисень утворює окрему підгрупу. Вона так і називається: підгрупа кисню.

Кисень, сірка, селен і телур, що входять  в неї, мають багато загального у  фізичних і хімічних властивостях. Спільність властивостей простежується, як правило, і для однотипних з'єднань, утворених членами підгрупи. Однак  для води характерне відхилення від  правил.

     З найлегших  з'єднань підгрупи кисню (а ними є гідриди) вода – найбільш легка. Фізичні характеристики гідридів, як і інших типів хімічних сполук, визначаються положенням у таблиці  елементів відповідної підгрупи. Так, чим легший елемент підгрупи, тим вища летючість його гідриду. Тому в підгрупі кисню найвищою повинна  бути летючість води - гідриду кисню.

     Ця  ж властивість дуже виразна виявляється  й у здатності води "прилипати" до багатьох предметів, тобто  змочувати  їх. Поверхня скла водою змочується, оскільки в склі є досить багато атомів кисню, і вода легко утворює  гідрогенні зв'язки не тільки з іншими молекулами води, але і з атомами кисню. Якщо ж змазати поверхню скла жиром, водневі зв'язки з поверхнею утворюватися не будуть, і вода збереться в крапельки під впливом внутрішніх водневих зв'язків, що обумовлюють поверхневий натяг. При вивченні цього явища установили, що всі речовини, що легко змочуються водою (глина, пісок, скло, папір і ін.), обов’язково мають у своєму складі атоми кисню. Для пояснення природи змочування цей факт виявився ключовим: енергетично неврівноважені молекули поверхневого шару води одержують можливість утворювати додаткові водневі зв'язки з "сторонніми" атомами кисню. Завдяки поверхневому натягові і здатності до змочування, вода може підніматися у вузьких вертикальних каналах на висоту більшу чим та, котра допускається силою ваги, тобто вода має властивість капілярності.

     Капілярність  відіграє важливу роль у багатьох природних процесах, що відбуваються на Землі. Завдяки цьому вода змочує товщу ґрунту, що лежить значно вище дзеркала ґрунтових вод і доставляє  кореням рослин розчини живильних  речовин. Капілярністю обумовлений  рух крові і тканинних рідин  у живих організмах. 

Найвищими  виявляються у води саме  ті характеристики, що повинні були б бути найнижчими: температури кипіння і замерзання, теплоти пароутворення і плавлення.

     Кластерність води позначається і на дуже високій питомій теплоті її пароутворення. Щоб випарувати воду, уже нагріту до 100°С, потрібно вшестеро більше кількості теплоти, чим для нагрівання цієї ж маси води на 80°С (від 20 до 100°С).

     Щохвилини  мільйон тонн води гідросфери випаровується  від сонячного нагрівання. У результаті в атмосферу постійно надходить  колосальна кількість теплоти, еквівалентна тому, яке б виробляли 40 тисяч електростанцій потужністю 1 млрд. кіловат кожна.

     При плавленні льоду чимало енергії  іде на подолання кластерних зв'язків крижаних кристалів, хоча і вшестеро менше, ніж при випаровуванні води. Молекули Н₂O фактично залишаються в тому ж середовищі, міняється лише фазовий стан води.

     Питома  теплота плавлення льоду більш  висока, чим у решти речовин, вона еквівалентна витраті кількості  теплоти при нагріванні 1 м³ води на 80°С (від 20 до 100°С).

     При замерзанні води відповідна кількість  теплоти надходить у навколишнє середовище, при таненні льоду - поглинається. Тому крижані маси, на відміну від  мас пароподібної води, є свого  роду поглиначами тепла в середовищі з плюсовою температурою.

     Аномально високі значення питомої теплоти  паротворення води і питомої теплоти  плавлення льоду використовуються людиною у виробничій діяльності. Знання природних особливостей цих  фізичних характеристик іноді підказує сміливі й ефективні технічні рішення. Так, воду широко застосовують у виробництві як зручний і  доступний охолоджувач у найрізноманітніших  технологічних процесах. Після використання воду можна повернути в природну водойму і замінити свіжою порцією, а можна знову направити на виробництво, попередньо остудивши  в спеціальних пристроях - градирнях.

     Здатність води накопичувати великі запаси теплової енергії дозволяє згладжувати різкі  температурні коливання на земній поверхні в різні пори року й у різний час доби. Завдяки цьому вода є  основним регулятором теплового  режиму нашої планети.

     Цікаво, що теплоємність води аномальна не тільки за своїм значенням. Питома теплоємність різна при різних температурах, причому  характер температурної зміни питомої  теплоємності своєрідний: вона знижується в міру збільшення температури в  інтервалі від 0 до 37°С, а при подальшому збільшенні температури - зростає. Мінімальне значення питомої теплоємності води виявлено при температурі 36,79°С, але  ж це нормальна температура людського  тіла! Нормальна температура майже  всіх теплокровних живих організмів також знаходиться поблизу цієї точки.

     Характерно, що явище проходження питомої  теплоємності води через мінімум  при температурній зміні має  своєрідну симетрію: при негативних температурах також виявлено мінімум  цієї характеристики. Він приходиться  на - 20°С.

     Якщо  вода нижче 0°С зберігає рідкий  стан, наприклад, будучи дрібнодисперсною, то біля -20°С різко збільшується її теплоємність. Це установили американські вчені, досліджуючи  властивість водних емульсій, утворених  крапельками води діаметром близько 5 мікронів. 

Всім відома аномалія густини. Вона двояка. По-перше, після танення льоду густина  збільшується, проходить через максимум при 4^оС і тільки потім зменшується з зростанням температури. В звичайних рідинах густина завжди зменшується з температурою. І це зрозуміло. Чим більше температура, тим більше теплова швидкість молекул, тим сильніше вони розштовхують один одного, приводячи до більшої рихлості речовини. Зрозуміло, і у воді підвищення температури збільшує теплову швидкість молекул, але чомусь це приводить в ній до пониження густини тільки при високих температурах. Друга аномалія густини полягає в тому, що густина води більше густина льоду (завдяки цьому лід плаває на поверхні води, вода в річках взимку не вимерзає до дна і т.д.). Звичайно ж при плавленні густина рідині опиняється менше ніж біля кристала. Це теж має простої фізичне пояснення. В кристалах молекули розташовані регулярно володіють просторовою періодичністю - ця властивість кристалів всіх речовин. Але у звичайних речовин молекули в кристалах, крім того, щільно упаковані. Після плавлення кристала регулярність в тому, що розташовує молекул зникає, і це можливо тільки при більш рихлій упаковці молекул, тобто плавлення звичайно супроводжується зменшенням густини речовини. Такого роду зменшення густини дуже мале: наприклад, при плавленні металів вона зменшується на 2 - 4%. А густина води перевищує густину льоду відразу на 10%! Тобто стрибок густини при плавленні льоду аномальний не тільки по знаку, але і по величині. 

Як відомо, вода при атмосферному тиску в  діапазоні температур від 0^OC до 4^OC збільшує свою щільність. Очевидно, при 0^OC у рідкій воді є дуже багато острівців зі збереженою структурою льоду. Кожний з цих острівців при подальшому збільшенні температури випробує теплове розширення, але одночасно з цим зменшуються кількість і розміри цих острівців унаслідок триваючого руйнування їхньої структури. При цьому частина обсягу води між острівцями має інший коефіцієнт розширення

     Зміна об’єму води зі зниженням температури  змінюється своєрідно. Спочатку вода поводиться , як і багато інших рідин: потроху  ущільнюючись, зменшуючись в об’ємі. Це спостерігається аж до 4°С (точніше - до 3,98°С). При цій температурі  начебто б настає криза. Подальше охолодження вже не зменшує, а  поступово збільшує об’єм. Плавність  різко переривається при 0⁰C, крива переходить у стрімку пряму, об’єм стрибком зростає майже на 10%. Вода перетворюється в лід.

     Очевидно, при 3,98°С теплові перешкоди в  утворенні асоціатів починають слабшати настільки, що з'являється можливість деякої структурної перебудови води в льодоподібні каркаси. Молекули взаємно упорядковуються, місцями складається характерна для льоду гексагональна структура.

     Ці  процеси в рідкій воді як би підготовлюють  повну структурну перебудову, що настає при 0⁰С: струмлива вода стає льодом - кристалічним твердим тілом. Кожна молекула одержує можливість з'єднатися водневими зв'язками з чотирма сусідніми. Тому у фазі льоду вода утворює ажурну конструкцію з "каналами" між фіксованими групами молекул води.

     Імовірно, зі структурною перебудовою зв'язана  й іще одна своєрідна властивість  води - різкий стрибок теплоємності при фазовому переході "вода - лід", про що вже говорилося вище. Вода при 0⁰C має питому теплоємність 1,009. Питома теплоємність води, що перетворилася в лід, при цій же температурі вдвічі нижча.

     Завдяки особливості структурного переходу "вода - лід", в інтервалі 3,98...0⁰C природні водойми достатньої глибини звичайно не промерзають до дна. З настанням зимових холодів верхні шари води, остудивши приблизно до +4⁰C і досягши максимальної щільності, опускаються на дно водойми. Ці шари несуть у глибини кисень і допомагають рівномірному розподілові живильних домішок. На їхнє місце до поверхні піднімаються більш теплі маси води, ущільнюються, остигаючи при контакті з приповерхнім повітрям, і, остудивши до +4⁰C, у свою чергу опускаються всередину. Перемішування йде доти  , поки циркуляція не вичерпається і водойма не покриється  шаром льоду, що плаває. Лід надійно охороняє глибини від суцільного промерзання - адже його теплопровідність набагато менша ніж у води. 

Ще одна фізична величина, зв'язана зі структурою води, має особливу залежність від  температури - це в'язкість.

В’язкість води – це внутрішнє тертя, що виникає  між шарами води при їх переміщенні  в результаті дії механічного  напруження. В’язкість можна розглядати як відношення напруження (сили) зсуву, яке зазнає рідка система до градієнта  швидкості зсуву.

     В'язкість  води зменшується при зміні температури  від 0⁰C до 100⁰C у сім разів, тоді як в'язкості більшості рідин з неполярними молекулами, що не мають, відповідно, водневих зв'язків, зменшуються при такій же зміні температур усього в два рази! Спирти, молекули яких є полярними, як і молекула води, теж змінюють в'язкість у 5-10 разів при такій зміні температури.