Артіль Банна - чому вода - це вода

Це питання зовсім не так безумний, як це може здатися. У насправді, хіба вода — це тільки та безбарвна рідина, що налита в склянку? Океан, що вкриває майже всю нашу планету, всю нашу чудову Землю, на якій мільйони років тому зародилося життя, — це вода. Хмари, хмаринки, тумани, що несуть вологу всьому живому на земній поверхні, — адже це також вода. Безкраї крижані пустелі полярних областей, снігові покриви, застилающие майже половину планети,— і це вода. Чудово, невоспроизводимо нескінченне різноманіття фарб сонячного заходу, його золотих і багряних переливів; урочисті і ніжні фарби небосхилу при сході сонця. Ця звичайна і завжди незвичайна симфонія кольору зобов'язана розсіювання і поглинання сонячного спектру водяними парами в атмосфері. Цей великий художник природи — вода.
Гірські ланцюги складені гігантськими товщами сотень різних гірських порід, і геологи знають, що більшість з них створено найбільшим будівником природи — водою. Безперервно змінюється вигляд Землі. На місці, де височіли найвищі гори, стеляться безкраї рівнини, їх створює великий перетворювач — вода.
Безмежне різноманіття життя. Вона всюди на нашій планеті. Але життя є тільки там, де є вода.
Правильне кристалічна будова льоду виражається в дивовижному витонченості сніжинок.
Чому ж одне з незліченних хімічних сполук, молекула якого складається всього з 3 атомів, — проста окис водню, звичайнісінька вода, займає настільки особливе місце в житті природи? Чим пояснюється така виняткова роль води?
Серед неозорого безлічі речовин вода з її фізико-хімічними властивостями займає особливе, виняткове місце. Це треба розуміти буквально. Майже всі фізико-хімічні властивості води — виняток у природі. Вона дійсно найдивніше речовина на світі. Вона дивовижна не тільки різноманіттям ізотопних форм молекули і не тільки надіями, які пов'язані з нею як з невичерпним джерелом енергії майбутнього. Вона дивовижна своїми звичайними властивостями. Проста хімічна сполука з найпростішою формулою Н2О зайняло особливе місце на нашій чудовій планеті завдяки дивовижному поєднанню надзвичайних властивостей.
Як побудована молекула води!
Як побудована одна молекула води, тепер відомо дуже точно. Вона побудована ось так:
Добре вивчено і виміряно взаємне розташування ядер атомів водню і кисню і відстань між ними. Виявилося, що молекула води нелінійна. Разом з електронними оболонками атомів молекулу води, якщо на неї поглянути «збоку», можна було б зобразити так :
а якщо поглянути «зверху» — з боку атома кисню, то так:
тобто геометрично взаємне розташування зарядів у молекулі води можна зобразити у вигляді простого тетраедра.
Така будова веде до виникнення надзвичайно сильного взаємного притягання молекул одна до одної: кожна молекула води може утворити чотири однакові водневі зв'язки з іншими молекулами води.
Всі молекули води з будь-яким ізотопним складом побудовані абсолютно однаково.
 
 
Як побудована молекула льоду!
 
 
Ніяких особливих молекул льоду немає. Молекули води завдяки своєму чудовому будовою з'єднані в шматку льоду одна з одною так, що кожна з них пов'язана і оточена чотирма іншими молекулами. Це призводить до виникнення дуже пухкої структури льоду, в якій залишається дуже багато вільного об'єму. Правильне кристалічна будова льоду виражається в дивовижному витонченості сніжинок і красою морозних візерунків на замерзлих шибках

На малюнку зліва (у колі) — схематичне розташування атомних ядер водню і кисню в молекулах води, утворили кристалічні грати льоду. Вгорі (в колі) — молекули води, що утворили крижаний кристал із збереженням масштабів електронних оболонок. Зверніть увагу на пухку структуру льоду.
Позитивні заряди в молекулі води пов'язані з атомами водню. Негативні заряди — це валентні електрони кисню. Їх взаємне розташування в молекулі води можна зобразити у вигляді простого тетраедра.
Як же все-таки побудовані молекули води в воді
На жаль, це дуже важливе питання вивчений далеко не досить. Будова молекул в рідкій воді дуже складно. Коли лід плавиться, його сітчаста структура частково зберігається у воді утворюється. Молекули в талій воді складаються з багатьох простих молекул — з агрегатів, що зберігають властивості льоду. При підвищенні температури частина їх розпадається, їх розміри стають менше.
Взаємне тяжіння веде до того, що середній розмір складної молекули в рідкій воді значно перевищує розміри однієї молекули води. Таке надзвичайне молекулярне будова води зумовлює її надзвичайні фізико-хімічні властивості.
При якій температурі вода повинна кипіти!
Це питання, звичайно, дивний. Адже вода кипить при нормальному атмосферному тиску при ста градусах. Це знає кожен. Більше того, всім відомо, що саме температура кипіння води при цих умовах і обрана в якості однієї з опорних точок температурної шкали Цельсія, умовно позначеної 100° С.
Однак питання поставлене інакше: при якій температурі вода повинна кипіти? Адже температури кипіння різних речовин не випадкові. Вони залежать від положення елементів, що входять до складу їх молекул, в періодичній системі Менделєєва.
Якщо порівнювати між собою однакові за складом хімічні сполуки різних елементів, що належать до однієї і тієї ж групи таблиці Менделєєва, то легко помітити, що чим менше атомний номер елемента, чим менше атомна маса, тим нижче температура кипіння його сполук. Вода за хімічним складом може бути названа гідридом кисню. Н2Те, H2Se і H2S—хімічні аналоги води.
Якщо простежити за температурами їх кипіння і зіставити, як змінюються температури кипіння гідридів в інших групах періодичної системи, то можна досить точно визначити температури кипіння будь-якого гідриду, так само як і будь-якого іншого з'єднання. Сам Менделєєв таким способом передбачав властивості хімічних сполук ще не відкритих елементів.
Властивості будь-якої хімічної сполуки залежать від природи утворюючих його елементів і, отже, від їх положення в таблиці Менделєєва. На цих графіках наведені залежності температур кипіння і плавлення водневих з'єднань елементів IV і VI груп періодичної системи. Вода є вражаючим винятком. Завдяки дуже малому радіусу протона сили взаємодії між її молекулами настільки великі, що розділити їх дуже важко, тому вода кипить і плавиться при аномально високих температурах. Крім води в значно меншій мірі аномальними властивостями володіють аміак і фтористий водень. Графік А. Нормальна залежність температури кипіння гідридів елементів IV групи від їх місця в таблиці Менделєєва. Графік Ст. Серед гідридів елементів VI групи вода має аномальні властивості: повинна була б кипіти при мінус 80 — мінус 90° С, а кипить при плюс 100° С. Графік Ст. Нормальна залежність температури плавлення гідридів елементів IV групи від їх положення в таблиці Менделєєва. Графік Р. Серед гідридів елементів VI групи вода порушує порядок: повинна була б плавитися при мінус 100° С, а крижані бурульки тануть при 0° С.
Якщо ж визначити температуру кипіння гідриду кисню за положенням його в періодичній таблиці, то виявиться, що вода повинна кипіти при -80° С. Отже, вода кипить приблизно на сто вісімдесят градусів вище,
ніж повинна кипіти. Температура кипіння води — це найбільш звичайне її властивість — виявляється незвичайним і дивовижним.
Спробуйте тепер уявити собі, що наша вода раптом втратила здатність утворювати складні, асоційовані молекули. Тоді вона, ймовірно, мала б кипіти при тій температурі, яка їй належить у відповідності з періодичним законом. Що б тоді стало на нашій Землі? Океани раптово закиплять. На Землі не залишиться жодної краплі води, а на небі ніколи не зможе з'явитися більше ні хмаринки... Адже в атмосфері земної кулі температура ніде не падає нижче мінус 80 — мінус 90° С.
При якій температурі вода замерзає!
Чи Не правда, питання не менш дивний, ніж попередній? Ну хто ж не знає, що вода замерзає при 0°С? Це друга опорна точка термометра. Це саме звичайне властивість води. Але ж і в цьому випадку можна запитати: при якій температурі вода має замерзати у відповідності зі своєю хімічною природою? Виявляється, гідрид кисню на підставі його положення в таблиці Менделєєва, повинен був би тверднути при ста градусах нижче нуля.
Вода насправді дуже дивна речовина. Її, мабуть, навіть можна назвати неслухняним речовиною. Вона не підкоряється багатьом фізико-хімічним закономірностям, справедливим для інших з'єднань, тому що взаємодія її молекул надзвичайно велика і потрібно особливо інтенсивне теплове рух молекул, щоб подолати додаткове тяжіння. Це і призводить до такого несподіваного і різкого підвищення температури її кипіння і плавлення.
На графіку показано, як змінюються з температурою обсяги одного грама льоду та рідкої води. Ці зміни дуже малі, але вони мають велике значення для життя природи. Такої дивної і дивовижною залежністю щільності від температури має тільки вода. Зверніть увагу ще на Одне дивовижне властивість води — величезне розширення льоду при замерзанні. Воно таке велике, що графічно на одному кресленні уявити зміна об'єму води при замерзанні неможливо. У важкої води температурний хід зміни щільності аналогічний, але вона замерзає при 3,8° С і найбільшою щільністю має при 11,6° С.
Спробуйте і на цей раз пофантазувати. Раптом зникне здатність молекул води до асоціації. Негайно на всій нашій планеті зникають снігу і льоди. Не можна кататися на ковзанах, ніде бігати на лижах; втім, і нікому тоді було б кататися і бігати.
Чи воді бути на Землі рідкій або твердій!
Ні, не годиться. З того, що температура плавлення і кипіння гідриду кисню — його аномальне властивість, випливає, що в умовах нашої Землі рідке і тверде стану його також аномалії. Нормальним повинно було б бути тільки газоподібний стан води.
Неможливим жителям неможливого світу, в якому всі властивості води були б «нормальні», довелося б будувати спеціальні складні машини, щоб зріджувати таку воду, подібно до того як це робимо ми, отримуючи рідкий кисень. Звичайні властивості води виявляються незвичайними та дивовижними, якщо як слід з ними познайомитися і добре в них розібратися.
Скільки існує газоподібних станів води!
Тільки одне — пар.
Скільки існує рідких станів води!
На таке питання не так просто відповісти. Звичайно, теж одне — звична нам всім рідка вода. Але вода в рідкому стані володіє такими незвичайними властивостями, що доводиться задуматися: чи правильний такий простий, здавалося б, не викликає жодних сумнівів відповідь? Вода — єдина в світі речовина, яка після плавлення спочатку стискається, а потім у міру підвищення температури починає розширюватися. Приблизно при 4° З у води найбільша щільність. Цю рідкісну аномалію у властивостях води пояснюють тим, що в дійсності рідка вода являє собою складний розчин абсолютно незвичайного складу: це розчин води в воді.
При плавленні льоду спочатку утворюються великі складні молекули води. Вони зберігають залишки пухкої кристалічної структури льоду і розчинені у звичайній низькомолекулярної воді. Тому спочатку щільність води низька, але з підвищенням температури ці великі молекули руйнуються, і тому густина води зростає, поки не починає переважати звичайне теплове розширення, при якому щільність води знову падає. Якщо це вірно, то можливо кілька станів води, тільки їх ніхто не вміє розділити. І поки невідомо, чи вдасться коли-небудь це зробити.
Таке незвичайне властивість води має величезне значення для життя. У водоймах перед настанням зими поступово охолоджується вода опускається вниз, поки температура всього водойми не досягне 4Р С. При подальшому охолодженні більш холодна вода залишається зверху, і всяке перемішування припиняється. В результаті створюється надзвичайне положення: тонкий шар холодної води стає як би «теплим ковдрою» для всіх мешканців підводного світу. При 4° С вони відчувають себе явно непогано.
Що повинно бути легше — вода або лід!
Хто ж цього не знає... Адже лід плаває на воді. В океані плавають гігантські айсберги. Озера взимку вкриті плаваючим суцільним шаром льоду. Звичайно, лід легше води. Але чому «звичайно»? Хіба це так ясно? Навпаки, обсяг всіх твердих тіл при плавленні збільшується, і вони тонуть у своєму власному розплаві. А ось лід плаває у воді. Це властивість води — аномалія в природі, виняток, і притому абсолютно чудове виняток.
Спробуємо уявити, як виглядав би світ, якби вода мала нормальними властивостями і лід був би, як і належить будь-якому нормальному речовини, щільніше рідкої води. Взимку намерзає зверху, більш щільний лід тонув би, безперервно опускаючись на дно водойми. Влітку лід, захищений товщею холодної води, не міг розтанути. Поступово всі озера, ставки, річки, струмки промерзли б націло, перетворившись в гігантські крижані брили. Нарешті, промерзли б моря, а за ними й океани. Наш прекрасний квітучий зелений світ став би суцільний крижаною пустелею, подекуди покритої тонким шаром талої води. Чудесної аномалією володіє наше дивна речовина.
Скільки існує льодів!
У природі на нашій Землі — один: звичайний лід. Це самий прекрасний з усіх мінералів. Ніякі алмази не можуть зрівнятися блиском і красою зі сніжинками, іскристими на сонці. З цього блакитно-зеленого каменю складені на Землі не тільки гори і колосальні льодовики, їм покриті цілі материки. Лід — гірська порода з надзвичайними властивостями. Він твердий, але тече рідина, існують величезні крижані річки, повільно стікають з гір. Лід надзвичайно міцний і довговічний — десятки тисячоліть береже він у собі без змін тіла мамонтів, загиблих в льодовикових тріщинах. У своїх лабораторіях чоловік зумів відкрити ще принаймні шість різних, не менш здивуй-
тільних льодів. У природі їх знайти не можна. Вони можуть існувати тільки при дуже високих тисках. Звичайний лід зберігається до тиску 208 МПа (мегапаскалей), але при цьому тиску він плавиться при -22° с. Якщо тиск вище ніж 208 МПа, виникає щільний лід — лід-III. Він важчий води і тоне в ній. При більш низькій температурі і більшому тиску — до 300 МПа — утворюється ще більш щільний лід-II. Тиск понад 500 МПа перетворює лід лід-V — цей лід можна нагріти до 0° С, і він не розтане, хоча і перебуває під величезним тиском. При тиску близько 2 ГПа (гігапаскалів) виникає лід-VI. Це буквально гарячий лід — він витримує, не плавлячись, температуру 80° С. Лід-VII, знайдений при тиску 3 ГПа, мабуть, можна назвати розпеченим льодом. Це самий щільний і тугоплавкий з відомих льодів. Він плавиться лише при 190° С. Деякі вчені підозрюють, що існує ще нестійкий лід-IV, швидко переходить у лід-V. Напевно, людина, розширюючи свої знання, зможе у майбутньому знайти ще не один вид льоду.
Що потрібно, щоб лід розтанув?
Дуже багато тепла. Набагато більше, ніж для плавлення такої ж кількості будь-якої іншої речовини. Виключно велике значення питомої теплоти плавлення 335 Дж на 1 г льоду — також аномальне властивість води. При замерзанні 1 кг води така ж кількість тепла знову виділяється. Коли настає зима, утворюється лід, випадає сніг і вода віддає назад тепло, підігріває землю і повітря. Вони протистоять холоду і пом'якшують перехід до суворої зими, до жорстоких морозів. Саме завдяки цій чудовій властивості води на нашій планеті існують осінь і весна.
Що таке сніжинки!
Зростки крижаних кристалів, що утворилися при конденсації водяної пари у верхніх шарах атмосфери, де дуже низька температура.
Чому ж вони такі красиві!
У кристалічній решітці льоду є площини, в яких атоми кисню розташовані так, що утворюють правильні шестикутники, як це видно на малюнку (стор 409, вгорі). Напевно, з цим і пов'язана найчастіше зустрічається шестилучевая форма витончених зірочок-сніжинок. Дивовижна краса і нескінченну різноманітність форм сніжинок, їх вражаюча симетрія надихнули багатьох вчених на дослідження цієї дивної загадки природи. Були отримані десятки тисяч фотографій сніжинок в найрізноманітніших умовах: і високо в хмарах, і в землі, і на крайній півночі, і на півдні — всюди, де тільки може йти сніг. Крім величезної безлічі найрізноманітніших форм гексагональної симетрії, зустрічаються і пластиночки, і стовпчики, і голчасті форми. Сотні різних типів сніжинок виявили вчені. Але якщо бути дуже точними, то доведеться визнати, що абсолютно однакових сніжинок не існує. У нескінченному різноманітті кожна хоч чимось та відрізняється за формою і розміром.
Немає сумніву, що це залежить від нескінченної мінливості умов утворення і зростання сніжинок в атмосфері. З ніжною красою сніжинки пов'язано ще багато нерозгаданого в природі.
Скільки тепла потрібно, щоб нагріти воду!
Дуже багато. Більше, ніж для нагрівання рівної кількості будь-якої іншої речовини. Щоб нагріти грам води на один градус, необхідна одна калорія, або 4,19 Дж. Це більше ніж вдвічі перевищує теплоємність будь-якої хімічної сполуки.
Вода — речовина, надзвичайне навіть в самих повсякденних для нас властивості. Звичайно, ця особливість води має дуже велике значення не тільки при варінні обіду на кухні. Вода — це великий розподільник тепла на Землі. Нагріта Сонцем під екватором, вона переносить тепло у Світовому океані гігантськими потоками морських течій в далекі полярні області, де життя можливе лише завдяки цій дивовижній особливості води.
Як вода потрапляє в хмари!
Дуже просто. Сонце нагріває воду. Всюди, де вона є, — в калюжі, в ставку, в морі, в океані. Вода поглинає в своєму тонкому верхньому шарі майже всю енергію потрапляють на неї сонячних променів і випаровується. Молекули води виключно прості в своїй будові і разом з тим надзвичайні, відмінні від інших молекул. Вони сильно притягуються один до одного завдяки сил міжмолекулярного притягання за рахунок додаткових водневих зв'язків. Сонцю доводиться витрачати дуже багато енергії, щоб розділити молекули води, щоб перетворити її в пар. Немає жодного речовини, у якого б питома теплота випаровування була б більше, ніж у води. Вода — найкращий теплоносій. Ніщо не може зрівнятися з нею. Ніщо не може краще працювати в парових турбінах електростанцій, в циліндрах парових двигунів.
Вода — гігантський двигун і в природі. Метеорологи підрахували, що Сонце випаровує на Землі за одну хвилину мільярд тонн води. Кожну хвилину мільярд тонн водяної пари разом з висхідними потоками нагрітого повітря піднімається у верхні шари атмосфери. Кожен грам водяної пари забирає з собою 537 калорій сонячної енергії.
На великій висоті, де тиск мало, повітря розширюється, його температура сильно знижується і водяна пара конденсується, знову перетворюючись на воду — її найдрібніші краплинки утворюють хмари.
Енергія Сонця, піднята з водяною парою вгору, неминуче повинна виділитися назад, коли він перетворюється в хмари. Ця енергія переходить в теплову, нагріваючи повітря. Кожну хвилину водяний пар віддає атмосфері Землі жахливо величезна кількість енергії: 2,2 - 1018 Дж. Стільки енергії за той же час могли б виробити сорок мільйонів електростанцій, по мільйону кіловат кожна.
Це та енергія, яка переносить сотні мільярдів тонн води по повітрю в хмарах і зрошує дощами всю поверхню Землі. Це та енергія, за рахунок якої дмуть вітри, бурі виникають, народжуються урагани і шторми. А тільки один розвинувся ураган виділяє енергію, еквівалентну енергії 30 тис. атомних бомб.
Чому в морі вода солона!
Це, мабуть, одне з найбільш важливих наслідків одного з найбільш дивовижних властивостей води. В її молекулі центри позитивних і негативних зарядів сильно зміщені відносно один одного. Тому вода має виключно високим, аномальним значенням діелектричної проникності. Для води е = 80, а для повітря і вакууму е = 1. Це означає, що два будь-яких різнойменних заряду у воді взаємно притягуються одне до одного з силою в 80 разів меншою, ніж у повітрі. Адже за законом Кулона
Але все міжмолекулярні зв'язки у всіх тілах, що визначають міцність тіла, зумовлені взаємодією між позитивними зарядами атомних ядер і негативними електронами. На поверхні тіла, зануреного у воду, сили, що діють між молекулами чи атомами, слабшають під впливом води майже в сотню разів. Якщо залишилася міцність зв'язку між молекулами стає недостатньою, щоб протистояти дії теплового руху молекули або атоми тіла відриваються від його поверхні і переходять у воду. Тіло починає розчинятися, розпадаючись на окремі молекули, як цукор у склянці чаю, або на заряджені частинки — іони, як поварена сіль.
Саме завдяки аномально високою діелектричної проникності вода — один з найсильніших розчинників. Вона здатна розчинити будь-яку гірську породу на земній поверхні. Повільно і невідворотно руйнує навіть граніти, вилуговуючи з них найбільш легко розчинні складові частини. Немає у природі такої міцної породи, яка могла б чинити опір всемогутньому руйнівнику — воді.
Струмки, річки і річки зносять водою розчинені домішки в океан. Вода океану випаровується і знову повертається на Землю, щоб знову і знову продовжувати свою вічну роботу. А розчинені солі залишаються в морях і океанах. Не думайте, що вода розчиняє і зносить в море тільки те, що легко розчинно, і що в морській воді міститься тільки звичайна сіль, яка стоїть на обідньому столі. Ні, морська вода містить у собі майже всі елементи, що існують в природі. У ній є магній, кальцій, сірка, і бром і йод і фтор. В меншій кількості В ній знайдені залізо, мідь, нікель, олово, уран, кобальт, навіть срібло і золото. Понад 60 елементів хіміки знайшли в морській воді. Напевно, будуть знайдені і всі інші. Найбільше в морській воді кухонної солі. Тому вода в морі солона.
А чи знаєте ви, що кров людини і тварин близька за складом до морської води? І що рослини витягають із землі поживні речовини у вигляді водного розчину? Якби вода не володіла дивовижною властивістю — надзвичайно високою діелектричною проникністю, море не було б солоним. Але це нікому було б помітити — не було б на Землі життя.
Розпадаються у воді на іони її власні молекули!
Так, розпадаються. Молекули води дуже міцні, але все ж дуже невелика частина їх дисоціює на іони: Н2О = Н++OH-. При цьому з кожного мільярда молекул води при звичайній температурі дисоційований всього лише 2 молекули. Вільний протон Н+ — ядро атома водню, — звичайно, не може існувати у водному середовищі: іон водню негайно приєднується до молекули води і утворює іон гидроксония Н3О+.
А може бути вода без молекул води!
Так, ніби може. Правда, така вода ще поки не отримано. Але вчені встановили, що якщо воду нагрівати все вище і вище, то її дисоціація молекул на іони буде все більше зростати. При дуже високій температурі має настати таке дивне стан води, при якому в ній не залишиться ні однієї молекули води, всі вони розпадуться на іони. Вдалося розрахувати, що таке дивне стан води має настати при температурі не нижче 900° С. Тиск при цьому має бути не менше 15 ГПа (150000 атмосфер). Може бути, така вода існує в надрах Землі. Цікаво, які у неї властивості?
Як вода утворюється у воді з води!
Звичайно, найпростіше припустити, що молекули води у воді утворюються при взаємодії протона — іона водню з негативним іоном — гидроксилом. Так це і було написано у всіх шкільних підручниках світу. Потім хіміки стали вважати, що молекули води утворюються при взаємодії гідроксилу з іоном гидроксония: Н3О++ОН-=2Н2О.
Так як розміри іона гидроксония набагато більше розмірів «голого» протона — іона водню Н+, то зіткнення гідроксилу з гидроксонием повинні відбуватися частіше, ніж з протоном, і швидкість реакції повинна бути вище. Можна навіть теоретично розрахувати, визначивши розміри частинок, значення констант швидкостей обох реакцій — і з протоном, і з іоном гидроксония.
Однак досвід привів до несподіваного і дивного результату: виявилося, що константа швидкості реакції насправді має ще більше значення і молекули води у воді утворюються і не з іонів водню Н+, як вчили шкільні підручники, та не з попов гидроксония, як вважають майже всі хіміки, а з частинок набагато більших розмірів. Вчені думають тепер, що вода у воді утворюється з великих іонів Н9О4+ і Н7О4-. Рівняння реакцій утворення води в воді виглядає навіть для ока хіміка насправді зовсім дивно: Н904+ + Н7О- = 8Н20
Чому вода мокра»!
Вода не дуже «мокра», якщо вважати, що цей жартівливий питання відноситься до здатності води змочувати інші тіла. Більшість рідин набагато «мокро» води. Вода з працею змочує метали, абсолютно не змочує жирні поверхні. Водою не намочишь парафін. Краплі води скочуються з поверхні багатьох полімерних матеріалів: тефлону, поліетилену та ін Спирт ж, наприклад, або гас дуже добре змочують майже будь-які тіла. Це пояснюється тим, що сили взаємодії між молекулами води так великі, що вода збирається в краплі там, де інші рідини розтікаються.
Поверхневий натяг води настільки велике, що по ній спокійно можуть гуляти досить великі водяні комахи, начебто цих.
Це властивість води завдає багато неприємностей в повсякденному житті і в техніці: забруднені жиром або маслом руки водою не відмиєш. З-за цього і було винайдено мило. Хіміками було синтезовано багато спеціальних речовин — «змочувачів», щоб зробити воду «мокро».
А «сухий» вода може бути!
Виявляється, може. Нещодавно вчені зуміли приготувати «суху» воду. Для цього потрібно до звичайної води додати зовсім небагато тонко подрібненого порошку несмачиваемой кремнієвої кислоти. Вода відразу стає сухою і сипучого. Її можна пересипати, перевозити у пакетах; навіть на дотик така вода зовсім не волога, а суха і холодна.
Яку форму має вода!
Хоча це питання може здатися дивним, але він поставлено абсолютно правильно. Вода володіє власною формою, як і будь-яка інша рідина. Її форма — куля. Затвердження підручників, що вода приймає форму судини, а власної не має, невірно. Її власна форма на Землі зазвичай спотворена земним притяганням.
Але що воді властива форма кулі, в цьому дуже легко переконатися — достатньо злітати на космічному кораблі в космос і витрусити там воду з пляшки. Можна побачити це і на Землі: подивіться на падаючу краплю або видуйте хороший мильна бульбашка. У цих випадках дія ваги виключено і вода приймає власну форму.
Можна бігати по поверхні води!
Можна. Щоб у цьому переконатися, подивіться влітку на поверхню будь-якого ставка або озера. По воді не тільки ходить, але і бігає чимало живого і швидкого народца. Якщо врахувати, що площа опори лапок у цих комах дуже мала, то неважко зрозуміти, що, незважаючи на їх невелику масу, а отже, і невелика вага, поверхня води витримує, не прориваючись, значний тиск.
Чи може вода текти вгору!
Так, може. Це відбувається завжди і повсюдно. Сама піднімається вода вгору в ґрунті, змочуючи всю товщу землі від рівня грунтових вод. Сама піднімається вода вгору по капілярних судинах дерева і допомагає рослині доставляти розчинені поживні речовини на велику висоту — від глибоко прихованих в землі коріння до листя і плодів. Сама рухається вода вгору в порах промокального паперу, коли вам доводиться висушувати пляму, або в тканини рушники, коли витираєте особа. У дуже тонких трубочках капілярах — вода може піднятися на висоту до декількох метрів.
Чим це пояснюється!
Ще однією чудовою здатністю води — її виключно великим поверхневим натягом. Молекули води на її поверхні випробовують дію сил міжмолекулярної натягу тільки з однієї сторони, а біля води це взаємодія аномально велике. Тому кожна молекула на її поверхні втягується всередину рідини. В результаті виникає лінійна сила стягуюча поверхню рідини. У води вона особливо велика: її поверхневий натяг становить 73 мН/м (миллиньютона на метр).
Ця сила і надає мильній бульбашці, падаючої краплі і будь-якій кількості рідини в умовах невагомості форму кулі. Вона підтримує бігають по поверхні ставка жуков, лапки яких не змочуються водою. Вона піднімає воду у грунті, стінки тонких пір і отворів у ній, навпаки, добре змочуються водою. Навряд чи взагалі було можливо землеробство, якби вода не мала цієї винятковою особливістю.
А може вода горіти!
Може. Вода непогано горить в атмосфері вільного фтору.
Бачив чи хоч хто-небудь воду!
Це питання може здатися безглуздим. Проте якщо бути суворим і точним у відповідях, то доведеться сказати, що ні — воду поки ще, напевно, ніхто не бачив і не тримав у руках. Те, що налите в склянці і що ми за звичкою називаємо водою, насправді завжди являє собою розчин дуже багатьох речовин у воді. У ній розчинені гази: азот, кисень, аргон, вуглекислота — і всі домішки, що знаходяться в повітрі. У ній розчинені, напевно, сотні, а може бути, і тисячі різних сполук майже всіх елементів періодичної системи. В ній зважені найдрібніші нерозчинні частинки пилу. Це ми і називаємо чистою водою.
Багато вчених працює над вирішенням складної проблеми отримання абсолютно чистої води. Але поки ще отримати таку воду не вдалося. Та і як це зробити: налита в склянку вода розчиняє стінки склянки, стикаючись з будь-якою газом, вона розчиняє газ. Дуже ретельно очищена і звільнена від газів вода набуває абсолютно надзвичайні властивості: її можна перегріти на десятки градусів вище точки кипіння — вона не закипить, її можна дуже сильно переохолодити — вона не замерзне.
Всі властивості води зрозумілі вченим!
Звичайно, ні! Вода — загадкову речовину. Досі вчені не можуть зрозуміти і пояснити дуже багато її властивості. Незрозуміло, наприклад, чому вода не тільки змінює деякі властивості при впливі на неї магнітного поля, але і надовго зберігає ці зміни. В такій воді інакше йдуть реакції осадження. Багато солі із звичайної води випадають при її випаровуванні у формі щільного осаду, утворюючи накип (подивіться в чайник). «Намагнічена вода» не утворює накипу. Чому це так — ніхто не знає. Але те, що явище це ще не зрозуміле і поки не пояснено, анітрохи не заважає інженерам з успіхом застосовувати його в техніці для боротьби з накипом в парових котлах теплових електростанцій.
Нещодавно було виявлено нове загадкове явище. Виявилося, що вода на Землі змінює свою природу в залежності від того, що відбувається на Сонці та у космосі. Було помічено, що космічні причини впливають на характер протікання у воді деяких хімічних процесів, наприклад, швидкість появи опадів. Чому — невідомо.
Багато спостереження і факти говорять про те, що тала вода володіє особливими властивостями — вона більш сприятлива для розвитку живих організмів. Чому — теж невідомо. Можна не сумніватися, що всі подібні загадки будуть успішно вирішені наукою. Буде відкрито ще чимало нових, більш дивовижних загадкових властивостей води — самого незвичайного речовини у світі.
Всі властивості води вже перераховані в цій статті!
Ні, на жаль, далеко не всі. Не вистачило місця навіть для найбільш цікавих. Але той, хто захоче детально познайомитися з усіма властивостями води, які вже вивчено, зможе це зробити самостійно. Для цього йому потрібно буде прочитати в усіх наукових бібліотеках світу всі вийшли журнали і книги, де надруковані наукові роботи з хімії, фізики, біології, фізіології, біохімії, біофізики, геології, геохімії. Доведеться вивчити і багато роботи з астрономії та астрофізики. (Цікаво, чи є вода на планетах, в міжзоряному просторі, в далеких галактиках? І як її там шукають астрономи?) Треба буде вивчити роботи з зоології і ботаніки (ні тварини, ні рослини без води жити не можуть). Риби і мікроорганізми живуть у воді — доведеться читати роботи з іхтіології та мікробіології.
Само собою зрозуміло, що не можна пропустити книги по гідрології, океанології, лимнологии (це дуже цікава наука про озерах), необхідно також вивчити роботи вчених з теорії річок, їх утворення і життя, ретельно пропрацювати все, що відомо з гляціології (це дуже важлива наука про властивості льоду — вона допомагає будувати великі міста на далекій Півночі), по спелеології (адже печери в надрах Землі створені водою, і це теж її властивість).
Без термодинаміки можна зрозуміти роль води в енергетиці (адже більшість теплових електростанцій працюють на водяному парі, а гідростанції — на воді). Доведеться вивчити і ядерну фізику (навіщо атомній енергетиці потрібна важка вода). Є ще дуже важка наука — гідравліка. Доведеться вивчити ряд розділів електротехніки — без цієї науки не можна засвоїти электрохимию, більшість процесів якій протікає у водних розчинах. Де і які річки, моря і океани розташовані на Землі, розказано в роботах з географії. Абсолютно особливі властивості води вивчає навігація — наука про кораблевождении і теорія кораблебудування.
Дуже багато цікавого про воду можна дізнатися з книг з метеорології — науки, яка вивчає, чому народжуються хмари і йде з них дощ. Не можна залишити без уваги наукові праці з медицини — і в людині всі життєві процеси протікають у водному середовищі. Може бути, ви думаєте, що можна пропустити твори з історії, економіці? Ні, їх розвиток визначилося на нашій планеті водними шляхами сполучення. Напевно, можна назвати, якщо гарненько подумати, ще багато інших галузей знань, в яких вивчаються властивості води. Спробуйте подумати самі.
Все вже відомо про воду!
Зовсім ще недавно, трохи років тому, хіміки були впевнені, що склад води їм добре відомий. Але одного разу одному з них довелося виміряти щільність залишку води після електролізу. Він був здивований: щільність виявилася на кілька стотисячних часток вище нормальної. У науці немає нічого незначного. Ця незначна різниця зажадала пояснення. У результаті вчені відкрили багато нових великих таємниць природи. Вони дізналися, що вода дуже складна. Були знайдені нові ізотопні форми води. Здобута із звичайної важка вода; виявилося, що вона абсолютно необхідна для енергетики майбутнього. Тепер у всіх країнах світу фізики вперто і невпинно працюють над вирішенням цієї великої задачі. А почалося все з простого вимірювання самої звичайної, буденної і нецікавою величини — щільність води виміряна точніше на зайвий десятковий знак.
Кожне нове, більш точне вимірювання, кожен новий вірний розрахунок, нове спостереження не тільки підвищують впевненість у знанні і надійності вже добутого і відомого, але і розширюють межі невідомого і ще не пізнаного, прокладають до них нові шляхи.
Немає межі людському розуму, немає межі його можливості; і те, що ми тепер так багато знаємо про природу і властивості води — воістину самого дивного в світі речовини, — відкриває перед нами, перед тими, хто читає зараз цю книгу, ще більші, необмежені можливості. І хто може сказати, що ви ще дізнаєтесь, що відкриєте нового, ще більш незвичайного. Вмійте тільки бачити і дивуватися. Вода, як і все в світі, невичерпна.
Так ллється вода
На цих знімках сфотографований кінець дуже тонкої водяного струменя. На поверхні струменя виникають хвилеподібні пружні коливання (1). Вони посилюються, і утворюється тонка перетяжка (2), вона розривається. Потовщення струменя (3), яка перебувала перед перетяжкою, перетворюється в краплю (4), а те, що було перетяжкою, відтягується (5) і стає маленькою крапелькою (б). Вона названа кулькою Плато, з іменем бельгійського фізика, який зумів передбачити існування цієї крапельки задовго до того, як учені змогли її розглянути. Під дією поверхневого натягу крапля коливається. Вона витягується (7), то, знову розширюючись, сплющується (8). Її коливання добре вивчені. Вони в свій час допомогли фізикам розгадати таємницю поділу атомного ядра. Розпад струменя рідини на краплі має дуже велике значення в техніці, тому його ретельно вивчають. Механізм утворення крапель впливає на ефективність використання пального при упорскуванні його в двигун внутрішнього згоряння. Від розпаду струменя залежить і потужність двигуна. (Знімки зроблені з витримкою в одну мільйонну частку секунди. Вони збільшені в 10 разів.)
Крапля води, що впала у воду
Це витончене і загадкове явище кожен з нас може спостерігати. Для цього потрібно дуже обережно опустити підфарбовану краплю з висоти 1-2 см в прозору банку з водою, яка перед досвідом простояла кілька годин далеко від джерела тепла, і в ній припинилося конвекційне рух. На цих фотографіях, зроблених спеціально для Дитячої енциклопедії, показано, що відбувається з краплею. Крапля (1), впавши з кінчика піпетки в воду, перетворюється в вихрове кільце (2). Воно розширюється, і в ньому виникають потовщення (3). Поступово вони розвиваються у вторинні вихрові кільця (4, 5, 6). Процес повторюється, і число кілець швидко зростає (7, 8, 9, 10). У таку складну систему вихрових потоків крапля перетворюється всього за кілька хвилин. Зліва — процес знятий зверху, праворуч — збоку. Це дивовижне явище ще майже не відомо і не вивчено. Може бути, хто-небудь з читачів досліджує його і відкриє законів, які ним керують? Хто знає, до яких наслідків це призведе в майбутньому.
Звідки на Землі взялася вода!
Вічно за всіма напрямами Всесвіт пронизують потоки космічних променів— потоки частинок з величезною енергією. Найбільше в них протонів — ядер атомів водню. У своєму русі в космосі наша планета безперервно піддається «протонному обстрілу». Пронизуючи верхні шари земної атмосфери, протони захоплюють електрони, перетворюються в атоми водню і негайно вступають в реакцію з киснем, утворюючи воду. Розрахунок показує, що щороку майже півтори тонни такий «космічної» води народжується в стратосфері. На большой высоте при низкой температуре упругость водяного пара очень мала и молекулы воды, постепенно накапливаясь, конденсируются на частицах космической пыли, образуя таинственные серебристые облака. Ученые предполагают, что они состоят из мельчайших ледяных кристалликов, возникших из такой космической воды. Подсчет показал, что воды, появившейся таким образом на Земле за всю ее историю, как раз хватило бы, чтобы родились все океаны нашей планеты. Значит, вода пришла на Землю из космоса? Но… Геохимики не считают воду небесной гостьей. Они убеждены, что у нее земное происхождение. Породы, слагающие земную мантию, которая лежит между центральным ядром Земли и земной корой, под влиянием накапливающегося тепла радиоактивного распада изотопов местами расплавлялись. Из них выделялись летучие составные части: азот, хлор, соединения углерода, серы, больше всего выделялось водяных паров. Сколько же воды могли выбросить при извержениях все вулканы за все время существования нашей планеты? Ученые подсчитали, и это. Оказалось, что такой изверженной «геологической» воды тоже как раз хватило бы, чтобы заполнить все океаны. Цікаво все-таки було б знати: звідки ж на Землі взялася вода?