ПОЗНАЙ СЕБЯ

Объявление

Информация о пользователе

Привет, Гость! Войдите или зарегистрируйтесь.


Вы здесь » ПОЗНАЙ СЕБЯ » Наука » Вода знакомая и загадочная.


Вода знакомая и загадочная.

Сообщений 1 страница 2 из 2

1

http://s6.uploads.ru/msqC5.jpg

Значительная часть воды на нашей планете скрыта под её поверхностью. С давних времен эту воду называли подземной. Так её называют и теперь, хотя правильнее было бы характеризовать её как внутриземную или подпочвенную. Лишь относительно малая доля такой воды выходит на поверхность в виде тихих ключей, горных ручейков или бурных пароводяных фонтанов — гейзеров. Основные же массы её тысячелетиями накапливаются вне видимых кладовых, стиснутые между водоупорными слоями, пока не откроется где-либо свободный выход или не выпустит их на простор дерзкое вмешательство человека.

"Тобою наслаждаются, не ведая, что ты такое", — обращался к воде Антуан де Сент Экзюпери. Тот самый, что написал прекрасную сказку о маленьком принце. И там вода играла не последнюю роль: принц постоянно помнил, что надо поливать свою единственную розу, оставленную на далёкой родной планете.

http://s6.uploads.ru/MLwCO.jpg

Мы не можем прожить без воды и нескольких дней. Между тем долгие столетия люди не только не знали, что она собой представляет, но не знали даже, сколько её на Земле. И уже совсем было неясно, как появилась она на планете. Вода была ещё до появления человека: есть все основания полагать, что жизнь возникла в водной среде.

Вода — активный созидатель нашей планеты, один из её основных „строительных материалов“.

http://s6.uploads.ru/0nXzi.jpg

Миллиарды лет назад в холодном газопылевом облаке, со временем сгустившемся, уплотнившемся и ставшем Землёй, уже содержалась вода. Скорее всего, она была в виде ледяной пыли. Это подтверждают исследования Вселенной. Установлено, что исходные элементы для образования воды — водород и кислород — в нашей Галактике принадлежат к шести самым распространённым веществам космоса.

Скопления молекул воды и гидроксидных радикалов обнаружены за пределами Солнечной системы. В созвездиях Кассиопеи и Ориона найдены облака, состоящие из молекул воды. Размеры облаков колоссальны — их протяжённость в 40 раз превышает расстояние от Солнца до Земли. Нередки случаи падения на Землю остатков кометных ядер — „посланцев“ далёких миров. Чаще всего они представляют собой гигантские глыбы льда, смёрзшегося с метаном, аммиаком и минеральными частицами. Вес достигших Земли ледяных глыб может достигать сотен килограммов.

http://s7.uploads.ru/kVfmS.jpg

„Простейшее устойчивое соединение водорода с кислородом“, — такое определение воды даёт Краткая химическая энциклопедия. Всё верно, только простейшее в химии — это далеко не простое.

До XIX века люди не знали, что вода — химическое соединение. Её считали обычным химическим элементом. Лишь в 1805 году Александр Гумбольдт и Жозеф Луи Гей Люссак установили, что вода состоит из молекул, каждая из которых содержит два атома водорода и один кислорода.

После этого свыше ста лет все и всюду считали, что вода — индивидуальное соединение, описываемое единственно возможной формулой H2O.

Недостаточность этого положения выяснилась лишь в 1932 году. Мир облетела сенсация: кроме воды обычной, в природе существует ещё и тяжёлая вода. В молекулах такой воды место водорода занимает его тяжёлый изотоп — дейтерий.

http://s7.uploads.ru/vyEQS.jpg

Тяжёлую воду открыли американские физики Гаральд Юри и Эльберт Осборн. В 1933 году американец Герберт Льюис совместно с Ричардом Макдональдом впервые выделили её в чистом виде.

В небольших количествах тяжёлая вода постоянно и повсеместно присутствует в природных водах, внешне совершенно не отличаясь от обычной воды. Различить их можно лишь по физическим характеристикам. В молекулу тяжёлой воды входят атомы не лёгкого водорода — протия (1H), а его изотопа — дейтерия (2D), атом которого на единицу тяжелее протиевого, следовательно, молекулярный вес тяжёлой воды на 2 единицы больше: 20, а не 18.

Формула тяжёлой воды D2O. Она на 10% плотнее обычной, её вязкость выше на 23%. Она кипит при 101,42°С, а замерзает при +3,8°С.

http://s7.uploads.ru/zab2B.jpg

Такие особенности позволяют понять неравномерность содержания тяжёлой воды в тех или иных природных водах. Например, в замкнутых водоёмах её больше, так как по сравнению с обычной водой она испаряется менее интенсивно. Поэтому тяжёлой воды больше в местностях с жарким климатом. Обогащается дейтерием и поверхность океана на экваторе и в тропиках, тем более что свою лепту вносят частые атмосферные осадки, при образовании которых идут процессы конденсации воды из паровой фазы, а тяжёлая вода конденсируется быстрее, чем лёгкая, следовательно, осадки обогащены тяжёлой водой. Однако для океанской поверхности повышенное содержание тяжёлой воды характерно лишь на низких широтах.

Вблизи полюсов свои особенности. В высоких южных широтах (в Антарктике) океанские воды заметно „легче“. В этом сказывается влияние талых вод антарктических айсбергов, которые отличаются наиболее низким содержанием дейтерия на планете.

http://s6.uploads.ru/fxYhj.jpg

Невелика доля дейтерия и во льдах Гренландии, тем не менее, океанские воды высоких северных широт обогащены тяжёлой водой. Тут сказывается таяние „тяжёлых“ арктических льдов.

Открытия последних лет показали, что тяжёлая вода играет немалую роль в биологических процессах. Это и понятно, ведь она является постоянной и повсеместной примесью природных вод. Систематическое изучение её воздействия на животных и растения начато сравнительно недавно. Различные исследователи независимо друг от друга установили, что тяжёлая вода действует отрицательно на жизненные функции организмов; это происходит даже при использовании обычной природной воды с повышенным содержанием тяжёлой воды.

Открытие тяжёлой воды послужило толчком к выяснению фракционного состава воды. Вскоре была обнаружена сверхтяжёлая вода T2O. В её составе место водорода занимает его природный изотоп, ещё более тяжёлый, чем дейтерий. Это тритий (T), он радиоактивен, атомная масса его равна 3. Тритий зарождается в высоких слоях атмосферы, где идут природные ядерные реакции. Он является одним из продуктов бомбардировки атомов азота нейтронами космического излучения. Ежеминутно на каждый квадратный сантиметр земной поверхности падают 8…9 атомов трития.

В небольших количествах сверхтяжёлая (тритиевая) вода попадает на Землю в составе осадков. Во всей гидросфере одновременно насчитывается лишь около 20 кг T2O. Тритиевая вода распределена неравномерно: в материковых водоёмах её больше, чем в океанах; в полярных океанских водах её больше,чем в экваториальных. По своим свойствам сверхтяжёлая вода ещё заметнее отличается от обычной: кипит при 104°С, замерзает при 4…9°С, имеет плотность 1,33 г/см3.

Перечень изотопов водорода не кончается тритием. Искусственно получены и более тяжёлые изотопы 4H и 5H, тоже радиоактивные.

Таким образом, возможно существование молекул воды, в которых содержатся любые из пяти водородных изотопов в любом сочетании.

В периодической системе элементов Д.И. Менделеева кислород образует отдельную подгруппу. Она так и называется: подгруппа кислорода. Входящие в неё кислород, сера, селен и теллур имеют много общего в физических и химических свойствах. Общность свойств прослеживается, как правило, и для однотипных соединений, образованных членами подгруппы. Однако для воды характерно отклонение от правил.

http://s6.uploads.ru/SNGsC.jpg

Из самых лёгких соединений подгруппы кислорода (а ими являются гидриды) вода — легчайшее. Физические характеристики гидридов, как и других типов химических соединений, определяются положением в таблице элементов соответствующей подгруппы. Так, чем легче элемент подгруппы, тем выше летучесть его гидрида. Поэтому в подгруппе кислорода самой высокой должна быть летучесть воды — гидрида кислорода.

Это же свойство очень явственно проявляется и в способности воды „прилипать“ ко многим предметам, то есть смачивать их. При изучении этого явления установили, что все вещества, которые легко смачиваются водой (глина, песок, стекло, бумага и др.), непременно имеют в своём составе атомы кислорода. Для объяснения природы смачивания этот факт оказался ключевым: энергетически неуравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают возможность образовывать дополнительные водородные связи с „посторонними“ атомами кислорода.

Благодаря поверхностному натяжению и способности к смачиванию, вода может подниматься в узких вертикальных каналах на высоту большую, чем та, которая допускается силой тяжести, то есть вода обладает свойством капиллярности.

Капиллярность играет важную роль во многих природных процессах, происходящих на Земле. Благодаря этому вода смачивает толщу почвы, лежащую значительно выше зеркала грунтовых вод и доставляет корням растений растворы питательных веществ. Капиллярностью обусловлено движение крови и тканевых жидкостей в живых организмах.

http://s7.uploads.ru/WZcit.jpg

Самыми высокими оказываются у воды как раз те характеристики, которые должны были бы быть самыми низкими: температуры кипения и замерзания, теплоты парообразования и плавления.

У самого тяжёлого из гидридов H2Te они отрицательны: выше 0°С это соединение газообразно. По мере перехода к гидридам более лёгким (H2Se, H2S) температуры кипения и замерзания всё более снижаются. Сохранись и далее эта закономерность, можно было бы ожидать, что вода должна кипеть при –70°С и замерзать при –90°C. В таком случае в земных условиях она никогда не могла бы существовать ни в твёрдом, ни в жидком состояниях. Единственно возможным было бы газообразное (парообразное) состояние. Но на графике зависимости температуры неожиданно резкий подъём — температура кипения воды +100°С, замерзания — 0°C. Это наглядное преимущество ассоциативности — широкий температурный интервал существования, возможность осуществить все фазовые состояния в условиях нашей планеты. Ассоциативность воды сказывается и на очень высокой удельной теплоте её парообразования. Чтобы испарить воду, уже нагретую до 100°С, требуется вшестеро больше количества теплоты, чем для нагрева этой же массы воды на 80°С (от 20 до 100°С).

Оказывается, вода обладает ещё одной замечательной способностью — высокой теплоёмкостью. Поглощая огромное количество теплоты, сама вода существенно не нагревается. Удельная теплоёмкость воды в пять раз выше, чем у песка, и почти в десять раз выше, чем у железа.

Способность воды накапливать большие запасы тепловой энергии позволяет сглаживать резкие температурные колебания на земной поверхности в различные времена года и в разное время суток. Благодаря этому вода является основным регулятором теплового режима нашей планеты.

Интересно, что теплоёмкость воды аномальна не только по своему значению. Удельная теплоёмкость разная при различных температурах, причём характер температурного изменения удельной теплоёмкости своеобразен: она снижается по мере увеличения температуры в интервале от 0 до 37°С, а при дальнейшем увеличении температуры — возрастает. Минимальное значение удельной теплоёмкости воды обнаружено при температуре 36,79°С, а ведь это нормальная температура человеческого тела! Нормальная температура почти всех теплокровных живых организмов также находится вблизи этой точки.

+1

2

http://s6.uploads.ru/Jhv0N.jpg

Среди необычных свойств воды трудно обойти вниманием ещё одно — её исключительно высокое поверхностное натяжение 0,073 Н/м (при 20°С). Из всех жидкостей более высокое поверхностное натяжение имеет только ртуть. Оно проявляется в том, что вода постоянно стремится стянуть, сократить свою поверхность, хотя она всегда принимает форму ёмкости, в которой находится в данный момент. Вода лишь кажется бесформенной, растекаясь по любой поверхности. Сила поверхностного натяжения заставляет молекулы её наружного слоя сцепляться, создавая упругую внешнюю плёнку. Свойства плёнки также определяются замкнутыми и разомкнутыми водородными связями, ассоциатами различной структуры и разной степени упорядоченности. Благодаря плёнке, некоторые предметы, будучи тяжелее воды, не погружаются в воду (например, осторожно положенная плашмя стальная иголка). Многие насекомые (водомерки, ногохвостки и др.) не только передвигаются по поверхности воды, но взлетают с неё и садятся, как на твёрдую опору. Более того, живые существа приспособились использовать даже внутреннюю сторону водной поверхности. Личинки комаров повисают на ней с помощью несмачиваемых щетинок, а маленькие улитки — прудовики и катушки — ползают по ней в поисках добычи.

Высокое поверхностное натяжение позволяет воде принимать шарообразную форму при свободном падении или в состоянии невесомости: такая геометрическая форма имеет минимальную для данного объёма поверхность.

http://s7.uploads.ru/Bwo7c.jpg

Струя химически чистой воды сечением 1 см2 по прочности на разрыв не уступает стали того же сечения. Водную струю как бы цементирует сила поверхностного натяжения. Поведение воды в капиллярах подчиняется и более сложным физическим закономерностям. Сент Дьердьи отмечал, что в узких капиллярах возникают структурно упорядоченные слои воды вблизи твёрдой поверхности. Структурирование распространяется в глубь жидкой фазы на толщину слоя порядка десятков и сотен молекул (ранее предполагали,что упорядоченность ограничивается лишь мономолекулярным слоем воды, примыкающим к поверхности). Особенности структурирования воды в капиллярных системах позволяют с определённым основанием говорить о капиллярном состоянии воды. В природных условиях это состояние можно наблюдать у так называемой поровой воды. В виде тончайшей плёнки она устилает поверхность полостей, пор, трещин пород и минералов земной коры. Развитые межмолекулярные контакты с поверхностью твёрдых тел, особенности структурной упорядоченности, вероятно, и являются причиной того, что поровая вода замерзает при более низкой температуре, чем обычная — свободная — вода. Исследования показали, что при замерзании связанной воды проявляются не только изменения её свойств, — иными становятся и свойства тех горных пород, с которыми она непосредственно соприкасается.

http://s6.uploads.ru/IUC6H.jpg

Казалось бы, что может быть обычнее льда. В средней полосе Евразии, где зима длится несколько месяцев, на севере, где зима продолжается большую часть года, да и в южных горных районах снег и лёд — привычные компоненты ландшафта.

Между тем необычен сам процесс образования льда. Посмотрим, например, как изменяется объём воды при переходе из жидкого состояния в твёрдое, то есть при замерзании. Это изменение происходит совсем не так, как у других известных нам веществ. Все они, кроме висмута и галлия, сжимаются, сокращают объём по мере охлаждения. При затвердевании их объём значительно уменьшается по сравнению с такой же массой расплава. Их плотность в твёрдом состоянии соответственно становится выше, чем в жидком.

При замерзании воды всё происходит наоборот — плотность льда уменьшается, а объём увеличивается на 10% по сравнению с объёмом, занимаемым той же массой воды.

Вероятно, со структурной перестройкой связано и ещё одно своеобразное свойство воды — резкий скачок теплоёмкости при фазовом переходе „вода — лёд“. Вода при 0°С имеет удельную теплоёмкость 1,009. Удельная теплоёмкость превратившейся в лёд воды при этой же температуре вдвое ниже.

Благодаря особенности структурного перехода „вода — лёд“, в интервале 3,98…0°С природные водоёмы достаточной глубины обычно не промерзают до дна. С наступлением зимних холодов верхние слои воды, охладившись примерно до +4°С и достигнув максимальной плотности, опускаются на дно водоёма. Эти слои несут в глубины кислород и помогают равномерному распределению питательных примесей. На их место к поверхности поднимаются более тёплые массы воды, уплотняются, остывая при контакте с приповерхностным воздухом, и, охладившись до +4°С, в свою очередь опускаются вглубь. Перемешивание идёт до тех пор, пока циркуляция не исчерпается и водоём не покроется плавающим слоем льда. Лёд надёжно предохраняет глубины от сплошного промерзания — ведь его теплопроводность намного меньше, чем воды.

http://s7.uploads.ru/kAE18.jpg

Ещё никто не знает, что происходит с водой, протекающей сквозь сильное магнитное поле. Физики-теоретики совершенно уверены, что ничего с ней при этом происходить не может и не происходит, подкрепляя свою убеждённость вполне достоверными теоретическими расчётами, из которых следует, что после прекращения действия магнитного поля вода должна мгновенно вернуться в прежнее состояние и остаться такой, какой была. А опыт показывает, что она изменяется и становится другой.

„Память“ воды не ограничивается только сохранением последствий магнитного воздействия. В науке существуют и постепенно накапливаются многие факты и наблюдения, показывающие, что вода как будто бы „помнит“ и о том, что она раньше была заморожена. Талая вода, недавно получившаяся при таянии куска льда, как будто бы тоже отличается от той воды, из которой этот кусок льда образовался. В талой воде быстрее и лучше прорастают семена, быстрее развиваются ростки; даже как будто бы быстрее растут и развиваются цыплята, которые получают талую воду. Кроме удивительных свойств талой воды, установленных биологами, известны и чисто физико-химические отличия, например талая вода отличается по вязкости, по значению диэлектрической проницаемости. Вязкость талой воды принимает своё обычное для воды значение только через 3–6 суток после плавления. Почему это так (если это так), тоже никто не знает. Большинство исследователей называют эту область явлений „структурной памятью“ воды, считая, что все эти странные проявления влияния предыдущей истории воды на её свойства объясняются изменением тонкой структуры её молекулярного состояния. Может быть, это и так, но… назвать — это ещё не значит объяснить. По-прежнему в науке существует важная проблема: почему и как вода „помнит“, что с нею было.

http://s7.uploads.ru/aoYTZ.jpg

Знает ли вода, что происходит в космосе? Этот вопрос затрагивает область столь необыкновенных, столь таинственных, до сих пор совершенно непонятных, наблюдений, что они вполне оправдывают образную формулировку вопроса. Экспериментальные факты как будто бы установлены твёрдо, но объяснения для них пока ещё не найдено.

Поразительная загадка, к которой относится вопрос, была установлена не сразу. Она относится к малозаметному и как будто бы пустяковому явлению, не имеющему серьёзного значения. Это явление связано с самыми тонкими и пока непонятными свойствами воды, трудно доступными количественному определению, — со скоростью химических реакций в водных растворах и главным образом со скоростью образования и выпадения в осадок труднорастворимых продуктов реакции. Это тоже одно из бесчисленных свойств воды.

Так вот, у одной и той же реакции, проводимой в одних и тех же условиях, время появления первых следов осадка непостоянно. Хотя этот факт был давным-давно известен, химики на него внимания не обращали, удовлетворяясь, как это ещё часто бывает, объяснением „случайными причинами“. Но постепенно, по мере развития теории скоростей реакции и усовершенствования методики исследования, этот странный факт стал вызывать недоумение.

Несмотря на самые тщательные предосторожности в проведении опыта в совершенно постоянных условиях, результат всё равно не воспроизводится: то осадок выпадает сразу, то приходится довольно долго ждать его появления.

Казалось бы, не всё ли равно — выпадает осадок в пробирке за одну, две или через двадцать секунд? Какое это может иметь значение? Но в науке, как и в природе, нет ничего не имеющего значения.

http://s7.uploads.ru/hBpJl.jpg

Странная невоспроизводимость всё более и более занимала учёных. И наконец был организован и осуществлён совершенно небывалый эксперимент. Сотни добровольных исследователей-химиков во всех частях земного шара по единой, заранее разработанной программе одновременно, в один и тот же момент по мировому времени снова и снова повторяли один и тот же простой опыт: определяли скорость появления первых следов осадка твёрдой фазы, образующейся в результате реакции в водном растворе. Опыт продолжался почти пятнадцать лет, было проведено более трёхсот тысяч повторений.

Постепенно стала вырисовываться удивительная картина, необъяснимая и загадочная. Оказалось, что свойства воды, определяющие протекание в водной среде химической реакции, зависят от времени: сегодня реакция протекает совсем иначе, чем в тот же момент она шла вчера, и завтра она будет идти снова по-другому.

Различия были невелики, но они существовали и требовали внимания, исследования и научного объяснения.

http://s7.uploads.ru/DY72x.jpg

Результаты статистической обработки материалов этих наблюдений привели учёных к поразительному выводу: оказалось, что зависимость скорости реакции от времени для разных частей земного шара совершенно одинаковая.

Это означает, что существуют какие-то таинственные условия, изменяющиеся одновременно на всей нашей планете и влияющие на свойства воды.

Дальнейшая обработка материалов привела учёных к ещё более неожиданному следствию. Оказалось, что события, протекающие на Солнце, каким-то образом отражаются на воде. Характер реакции в воде следует ритму солнечной активности — появления пятен и вспышек на Солнце.

http://s6.uploads.ru/a79kO.jpg

Но и этого мало. Было обнаружено ещё более невероятное явление. Вода каким-то необъяснимым путём отзывается на то, что происходит в космосе. Была установлена чёткая зависимость от изменения относительной скорости Земли в её движении в космическом пространстве.

Таинственная связь воды и событий, происходящих во Вселенной, пока необъяснима. А какое значение может иметь связь между водой и космосом? Никто ещё не может знать, насколько оно велико. В нашем теле около 75% воды; на нашей планете нет жизни без воды; в каждом живом организме, в каждой его клеточке протекают бесчисленные химические реакции. Если на примере простой и грубой реакции подмечено влияние событий в космосе, то пока даже и представить себе нельзя, как велико может быть значение этого влияния на глобальные процессы развития жизни на Земле. Наверное, будет очень важной и интересной наука будущего — космобиология. Одним из её главных разделов станет изучение поведения и свойств воды в живом организме.








http://wsyachina.narod.ru/physics/aqua_10.html

+2


Вы здесь » ПОЗНАЙ СЕБЯ » Наука » Вода знакомая и загадочная.