Аномалії води

Аномалії води

Вода є гідридом кисню -- елемента шостої групи. Хімічні аналоги води: H2S, H2Fe, H2Se, H2Po. Для кожного з них відома температура кипіння, яка рівномірно змінюється від сульфурудо полонію. Якщо ми нанесемо ці температури на графік і продовжимо лінію точок кипіння в сторону води, то побачимо, що для води температура кипіння має бути --80 °С. Але ми добре знаємо, що вода кипить при температурі 100 °С. Виявляється, що це одна з її незвичайних і дивних властивостей.

Гідрид кисню, враховуючи його положення в таблиці Менделєєва, повинен був би тверднути при температурі -100 °С.

Але вода замерзає при 0 °С. Це її друга дивна властивість. Досліджуючи й аналізуючи властивості води, вчені назвали їх аномаліями.

Перша аномалія -- це виключно висока теплоємність води порівняно з іншими рідинами і твердими тілами, яку при 15 °С вважають рівною , тоді як значення теплоємності для ртуті та платини - , заліза та міді -- ; піску, скла -- , повітря -- ; деревини --

Через особливу здатність води поглинати теплоту її температура під час нагрівання й охолодження змінюється мало, тому морським і річковим мешканцям ніколи не загрожують ні сильне перегрівання, ні надмірне охолодження. Відмінність між теплоємностями води і ґрунту є однією з причин, що визначають різницю між морським і континентальним кліматом. Нагріваючись приблизно в п'ять разів повільніше, ніж ґрунт, вода у стільки саме разів повільніше охолоджується. Завдяки цій особливості моря й океани є потужними акумуляторами теплоти. Постійно віддаючи її атмосфері, вони пом'якшують клімат Землі. Через високу теплоємність воду широко використовують як теплоносій у теплосиловому та комунальному господарстві, а також як охолоджувач у разі необхідності зниження температури.

Друга й третя аномалії води пов'язані з першою: у воді найвища в світі мінералів прихована теплота випаровування і плавлення, тобто та кількість теплоти, яка необхідна для перетворення рідини на пару та льоду на рідину. Наприклад, щоб перетворити 1 кг льоду на рідину, необхідно затратити 2,3МДж. Сама ж речовина (лід--вода) зовсім не підвищує свою температуру. Температура льоду, що тане, незмінно однакова: 0°С. В той же час вода з навколишнього середовища повинна поглинати теплоти. Але уточнюємо: якщо лід тане при температурі 0 °С та нормальному тиску, то для плавлення 1 кг льоду, що має температуру -7 °С, достатньо 320 КДж, а при -3°С -- 306 КДж. Виходить, що з кожним градусом униз по шкалі термометра теплота плавлення льоду зменшується на 0,5 °С. Чи не дивно? Чим холодніший лід, тим легше перетворити його на воду. Це і є наступний каприз води.

Подібне ми спостерігаємо і під час перетворення води на пару. Щоб випарувати воду з чайника, теплоти необхідно в 5,5 раза більше, ніж для того, щоб закип'ятити її без підвищення температури кипіння води, яка стала і (при тиску в 1 атм) дорівнює 100 °С. Звичайно, ці ж кожен кілограм пари віддає в навколишнє середовище, конденсуючись у воду. Коли б не ця властивість води -- навіть у спеку випаровуватися повільно -- багато озер і річок улітку пересихали б до дна.

Четверта аномалія полягає в наступному. Замерзаючи, вода розширюється на 9 % порівняно з початковим об'ємом. Густина звичайного льоду -- 924 кг/м3, тому він легший від води і спливає на її поверхню. Коли б цієї аномалії не було, то лід не зміг би плавати, водойми промерзли б до дна і все живе загинуло б.

Ми кажемо: звичайний лід. Учені виявили шість різновидностей льоду. З підвищенням тиску точка переходу води в лід знижується. Якщо заморозити воду при температурі -170 °С (за звичайного тиску), з неї утворюється дуже щільний лід. Він тоне у воді, оскільки його густина -- 2300 кг/м3. Але найцікавішим із шести існуючих різновидів льоду є «гарячий лід», який отримують під тиском 21 000 атм. Він має температуру +76 °С. Такий лід можна отримати безпосередньо з води при температурі +60 °С і тиску 16500атм. «Гарячий лід» плавиться при температурі +192 °С і тиску 32 000 атм. І не дивно, якщо в надрах Землі (на глибині в декілька сот кілометрів) виявляють гарячий лід. Гарячий у повному розумінні цього слова.

П'ята аномалія найбільш незвичайна. Усі речовини під час нагрівання розширяються, а при охолодженні стискаються. Вода також стискається під час охолодження. Але вона стискається до тих пір, поки її температура не досягне +4 °С. Потім вона знову починає розширюватися, хоча температура й знижується: найважча вода -- при 4 °С вище нуля (1 м3 має масу 1 т). Тому зимою, охоловши до +4 °С, вона опускається на дно водойми і зберігається там протягом усієї зими, не замерзаючи. Ця властивість води рятує життя всіх прісноводних тварин, що зимують у річках, ставках, озерах.

Шоста аномалія пов'язана з тим, що вода, як і ртуть, має найбільший поверхневий натяг. Усередині рідини притягання молекул одна до одної зрівноважується, а на поверхні -- ні. Молекули води, які розміщені глибше, тягнуть донизу верхні молекули. Тому крапля води начебто намагається затягти себе у вузлик. Стягують її сили поверхневого натягу. Крапля води упакована в свою поверхневу плівку, яка дуже міцна. Щоб розірвати її, потрібна сила, і немала. По цій плівці бігають комахи -- вертячки та водоміри, по ній повзуть равлики з масивними раковинами і навіть ящірки-василіски. Усі вони важчі за воду, але не тонуть: плівка підтримує їх.

Фізики точно розрахували, яку гирю треба підвісити до стовпчика води завтовшки 3 см, щоб розірвати його. Маса такої гирі величезна -- понад 100 т. Це для абсолютно чистої вводи. У природі такої води немає, в ній завжди щось розчинено. Нехай хоч небагато, але чужорідні речовини розривають зв'язки між молекулами води і сили зчеплення між ними зменшуються. Але капілярність зберігається і відіграє суттєву роль у живій природі. Своєрідними капілярами є коріння рослин. Сили поверхневого натягу тягнуть воду вгору із глибини грунту, живлячи рослини солями і вологою. Під дією сил поверхневого натягу кров наповнює капіляри тварин і людей. Важко уявити собі картину життя на Землі при зменшенні поверхневого натягу води.

Сьома аномалія полягає в тому, що вода -- найкращий розчинник. Вона розчиняє дуже багато речовин, проте сама залишається інертною і не змінюється від багатьох речовин, які розчинює. Завдяки цьому вода змогла стати носієм життя.

Усі ви знайомі з кругообігом води в природі. А яким свіжим буває повітря після дощу! Дощова вода чи сніг -- це фільтр атмосфери. Тож поговоримо про розчинні здатності води.

Спробуйте уявити, скільки тисяч вулканів протягом усіх геологічних епох викидали в атмосферу Землі отруйні гази і пил. Коли б усе це залишалося в повітрі, ні один промінець Сонця не зміг би сьогодні проникнути крізь густу чорну млу, що оточила б планету. Ні один мікроб не вижив би в її отруйному середовищі. А що вже говорити про тваринний чи рослинний світ? На наше щастя, скільки років діють вулкани, стільки ж років випадають на Землю дощі. Пронизуючи повітряну оболонку планети, краплі води захоплюють пилюку і розчиняють у собі отруйні гази. А зараз діяльність вулканів доповнюється бурхливою «діяльністю» заводських труб та вихлопних труб автомобілів. Зростає забруднення повітря також через втручання людини. І дощам усе важче справлятися зі своїми фільтруючими «обов'язками». Виникає запитання: якщо вода розчиняє всі гази, що є в атмосфері Землі, то чому ж вона не розчиняє в собі саму атмосферу, крізь яку падає дощем, і яка є сумішшю газів?

Справа в тому, що повітря, яке оточує Землю, також розчиняється у воді, але воно безперервно поповнюється рослинами планети. Цікаво, що 1,5 млн км3 вільного кисню, який міститься в атмосфері, вимагав би розкладу 1,6 млн км3 води, що приблизно дорівнює 20-ти об'ємам Каспійського моря. Таким чином, увесь атмосферний кисень поновлюється тільки за 3,2 тис. років. Безповоротне поглинання повітря призвело б до безперервного зниження атмосферного тиску, що, в свою чергу, викликало б інтенсивне випаровування води. Випаровуючись, вода повинна розчиняти в собі гази. До того ж кількість розчиненого у воді газу визначається ступенем насичення, тобто не може бути як завгодно великим. Таким чином, вода -- своєрідне реле тиску атмосфери. Тиск повітря, що оточує нас, з дуже незначними коливаннями має стале значення -- 760 мм рт. ст.

Незрозумілою залишається й інша обставина: чому під час випаровування води в атмосферу повертаються не всі розчинені нею гази, а тільки азот і кисень. Яким чином вдається воді втримати такий активний елемент, як кисень, від реакцій з іншими розчиненими в ній речовинами? Знову загадка води!

 

1. Значення води в житті людини

 

Вода є одним з найважливіших елементів біосфери. Без води неможливе

життя людей, тварин і рослин. Людина без води може прожити не більше 5-6

діб. Організм дорослої людини складається в середньому на 65 % з води. З

віком її кількість зменшується. Так, зародок людини містить 97 % води,

організм новонароджених -77 %, у 50 річному віці кількість води в

організмі становить лише 60 %. Основна маса води (70 %) зосереджена

всередині клітин, а 30 % - це позаклітинна вода, яка розподілена в

організмі неоднаково: менша (близько 7 %) - це кров ї лімфа, більша -

вода, що омиває клітини. У різних органах і тканинах вміст води теж

неоднаковий: скелет містить 20 %, м'язова тканина - 76, сполучна тканина

- 80, плазма крові - 92, склоподібне тіло - 99 % води.

 

Вода є добрим розчинником. Усі біохімічні реакції, що проходять в

організмі людини і пов'язані з процесами травлення та засвоєння поживних

речовин, перебігають у водному середовищі. Разом із солями вода бере

участь у підтримці найважливішої фізіологічної константи організму -

величини осмотичного тиску. За рахунок малої в'язкості, здатності

розчиняти різні хімічні речовини і вступати з ними в неміцні зв'язки

вода, що є основною частиною крові, відіграє роль транспортного засобу.

Крім того, вона є основою кислотно-лужної рівноваги в організмі,

оскільки проявляє властивості як кислот, так і основ. Усі процеси

засвоєння і виділення в організмі також перебігають у водному

середовищі.

 

На початку ХХІ століття близько 1,1 мільярда людей на Землі не мають

доступу до безпечного водопостачання, а понад 2,4 мільярда не мають

належних умов санітарії. Стрімке зростання кількості населення протягом

1990-х років, особливо у мегаполісах, зумовило розширення доступу людей

до послуг водопостачання та водовідведення. За оцінками фахівців, у 2000

році вже на 620 мільйонів людей більше, ніж у 1990 році, отримали доступ

до водопостачання, і на 435 мільйонів більше — доступ до каналізації.

Проте, незважаючи на позитивні зрушення протягом Міжнародного

Десятиліття Водопостачання і Каналізації (1981—1990), усе ще залишається

жахливе відставання у країнах третього світу, де мільярди людей,

переважно бідних та маргіналізованих городян, мешкають у вбогому,

нездоровому довкіллі.

 

Для задоволення фізіологічних потреб людині необхідно 2,5-3,0 л води на

добу. Вона в організм людини надходить з питвом і харчовими продуктами.

З водою потрапляє багато фізїологічно необхідних солей, в тому числі

таких макро- і мікроелементів, як кальцій, магній, натрій, калій, йод,

фтор тощо.

 

Скільки води надходить в організм людини, стільки ж її і виділяється. У

стані спокою вода з організму людини виводиться через нирки із сечею

—1,5 л/добу, через легені у вигляді водяної пари - приблизно 0,4 л,