Фізичні властивості води, їх аномальність

Размещено на http://www.allbest.ru

Фізичні властивості води, їх аномальність

Чиста вода є безбарвною без смаку запаху прозору рідину. Густина води під час переходу неї з твердого стани в рідке не зменшується, як майже у всіх інших речовин, а зростає.

Як добре відомо, вода прийнята за зразок міри - еталон для всіх інших речовин. Здавалося б, за еталон для фізичних констант слідувало б вибрати таку речовину, яка поводиться самим нормальним, звичайним чином. А вийшло якраз навпаки.

І перше, саме вражаюче, властивість води полягає в тому, що вода належить до диної речовини на нашій планеті, яка в звичайних умовах температури і тиску може знаходитися в трьох фазах, або трьох агрегатних станах: в твердому (лід), рідкому і газоподібному (невидимий оку пар).

Аномалія густини

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 збільшу 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 плавленн 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 плавленн льоду аномальний не тільки по знаку, але і по величині.

Переохолоджена вода

Останнім часом багато уваги уділяється вивченню властивостей переохолоджуваної води, тобто що залишається в рідкому стані нижче за точку замерзання 0 оС. (Переохолоджувати воду можна або в тонких капілярах, або - ще краще - в вид емульсії: маленьких крапельок в неполярному середовищі - масло"). Що ж відбувається з аномалією густини при переохолодженні води? Вона поводиться дивно. З одного боку, густина води сильно зменшується по мірі переохолодження (тобто перша аномалія посилюється), але, з другого боку вона наближається до густини льоду при пониженні температури (тобто друга аномалія слабшає).

Аномалія стисливості

Ще приклад аномалії води: незвичайна температурна поведінка її стисливості, тобто ступен зменшення об'єму при збільшенні тиску . Звичайно стисливість рідини росте з температурою: при високих температурах рідини більш рихлі (мають меншу густину) і їх легше стиснути. Вода знаходить таку нормальну поведінку тільки при високих температурах. При низьких же стисливість поводиться протилежним чином, в результаті чого в її температурній поведінц з'являється мінімум при 45 оС. На цих двох прикладах ми бачимо, що незвичайн властивості води характеризуються екстремальною поведінкою, тобто появою максимумів (як в густині) або мінімумів (як в стисливості) на кривих їх залежності від температури. Така екстремальна залежність означає, що в воді ма місце протиборство двох процесів, кожний з яких обумовлює протилежну поведінку даної властивості. Один процес - цей звичайний тепловий рух, що посилюється із зростанням температури і що робить воду (як і будь-яку іншу рідину) більш раз впорядкованою; інший процес незвичайний, властивий тільки воді, за рахунок нього вода стає більш впорядкованою при низьких температурах. Різні властивост води по-різному чутливі до цих двох процесів, і тому положення екстремуму спостерігається для кожної властивості при своїй температурі.

Поверхневе натягнення

Серед незвичайних властивостей води важко обійти увагою ще одне - її виключно високе поверхневе натягнення 0,073 Н/м (при 20о 3). З всіх рідин більш високе поверхневе натягнення має тільки ртуть. Воно виявляється в тому, що вода постійно прагне стягнути, скоротити свою поверхня, хоча вона завжди прийма форму місткості, в якій знаходиться в даний момент. Вода лише здається безформною, розтікаючись по будь-кому поверхні. Сила поверхневого натягнення примушу молекули її зовнішнього шаруючи зчіплюватися, створюючи пружну зовнішню плівку. Властивості плівки також визначаються замкнутими і розімкненими водневими зв'язками, асоцоатами різної структури і різного ступеня впорядкованості. Завдяки плівц деякі предмети, будучи важчим за воду, не занурюються в воду (наприклад обережно встановлена навзнаки сталева голка). Багато комах (водоміри ногохвостки і ін.) не тільки пересуваються по поверхні води, але злітають з неї і сідають, як на тверду опору. Більш того, живі істоти пристосувалися використовувати навіть внутрішню сторону водної поверхні. Личинки комарів повисають на ній за допомогою не змочуваних щетин, а маленькі равлики - прудовики і катушки - повзають по ній у пошуках здобичі.

Високе поверхневе натягнення дозволяє воді приймати кулясту форму при вільному падінні або в стан невагомості: така геометрична форма має мінімальну для даного об'єму поверхню. Струмінь хімічно чистої води перетином 1 см2 по міцності на розрив не поступається сталі того ж перетину. Водний струмінь як би цементує сила поверхневого натягнення. Поведінка води в капілярах підкоряється і
більш складним фізичним закономірностям. Сент-Дьердьі відзначав, що в вузьких капілярах виникають структурно впорядковані шари води поблизу твердої поверхні. Структуризація розповсюджується в глибінь рідкої фази на товщину шару порядка десятків і сотень молекул (раніше припускали, що впорядкованість обмежується лише мономолекулярним шаром води примикаючим до поверхні).

Особливост структуризації води в капілярних системах дозволяють з певною підставою говорити про капілярне стан води. В природних умовах цей стан можна спостерігати у так званої парової води. У вигляді якнайтоншої плівки вона вистилає поверхню порожнин, пір, тріщин порід і мінералів земної кори. Розвинені міжмолекулярні контакти з поверхнею твердих тіл, особливост структурної впорядкованості, ймовірно, і є причиною того, що парова вода замерзає при більш низькій температурі, ніж звичайна - вільна - вода. Дослідження показали, що при замерзанні зв'язаної води виявляються не тільки зміни її властивостей, - іншими стають і властивості тих гірських порід, з якими вона безпосередньо стикається.

Аномалія теплоємності

Що ж це за незвичайний процес, що відбувається в воді і що робить її несхожої на нші рідини? Щоб з'ясувати його фізичне єство розглянемо ще одну, на мій погляд, найсильнішу аномалію води -температурна поведінка її теплоємності. Величина теплоємності, як відомо, показує, скільки потрібно затрачувати тепло, щоб підняти температуру речовини на один градус. Для переважного числа речовин теплоємність рідини після плавлення кристала збільшується трохи - ніяк не більш 10%. Інша справа - вода. При плавленні льоду теплоємність скаче від 9 до 18 кал/моль " тобто в два рази! Такого величезного скачка теплоємності при плавленні не спостерігається ні у одного іншо речовини: тут вода абсолютний рекордсмен.В льоду енергія, що підводиться для нагрівання, витрачається в основному на збільшення теплово швидкості молекул. Стрибок теплоємності після плавлення означає, що у вод відкриваються якісь нові процеси (і дуже енергоємні), на які витрачається, що підводиться тепло і які обумовлюють появу надмірної теплоємності. Така надмірна теплоємність і, отже, згадані енергоємні процеси існують у всьому діапазон температур, при яких вода знаходиться в рідкому стані. Вона зникає тільки в парі, тобто ця аномалія є властивістю саме рідкого стану води. Теплоємність води аномальна не тільки за своїм значенням. Питома теплоємність різна при різних температурах, причому характер температурної зміни питомої теплоємності своєрідний: вона знижується у міру збільшення температури в інтервалі від 0 до 37о З, а при подальшому збільшенні температури - зростає. Мінімальне значення питомої теплоємності води знайдено при температурі 36,79о З, адже це нормальна температура людського тіла! густина вода фізичний теплоємність

Нормальна температура майже всіх теплокровних живих організмів також знаходиться поблизу цієї крапки. При сильному переохолодженні теплоємність сильно зростає, тобто аномальний внесок в неї ще більше збільшується. Вода, що переохолоджувана, ще більш аномальна, ніж звичайна. Вже не зменшується, а збільшується. З цієї миті починається впорядкування взаємного розташовує молекул, складається характерна для льоду гексагональна кристалічна структура. Кожна молекула в структурі льоду сполучена водневими зв'язками з чотирма іншими. Це призводить до того, що в фазі льоду утворюється ажурна конструкція з каналами між фіксованими молекулами води. У водних розчинах деяких органічних речовин навколо молекул домішок виникають впорядковані групи водних молекул своєрідні зони рідкого" льоду", мають кубічну структуру, яка відрізняється великою рихлістю в порівнянні з гексагональної. Поява такого льоду викликає значне розширення всієї замерзло маси. При появі льоду руйнуються зв'язки не тільки дальнього, але ближнього порядку. Так, при 0 про 3 9- 15% молекул Н20 втрачають зв'язки з з'єднаннями, в результаті збільшується рухливість частини молекул і вони занурюються в ті порожнини якими багата ажурна структура льоду. Цим пояснюється стиснення льоду при таненні і велика в порівнянні з цим густина води, що утворюється . При переході густина води зростає приблизно на 10%, і можна вважати що ця величина певним чином характеризує кількість молекул Н20 що потрапили в порожнині. В твердій вод (лід) атом кисню кожної молекули бере участь в утворенні двох водневих зв'язків з сусідніми молекулами води.

Размещено на Allbest.ru