Молекулярное строение воды и ее аномалии

"Начало всего есть вода", - отмечал Фалес из Милета в VI веке до н.э.

Вода - исключительное природное соединение. Необыкновенность воды заключается в наличии у ней многих аномальных свойств. Почти все физико-химические свойства воды - исключение в природе, и только благодаря этим аномалиям воды возможна жизнь на нашей планете, по крайней мере в той форме, в которой она существует. (интересных свойств)

Многие физико-химические свойства воды обусловлены строением молекулы, которое создает вокруг нее специфическое электромагнитное поле, ориентирует молекулы воды относительно друг друга и связывает их. В молекуле воды H₂O два атома водорода Н тесно связаны с одним атомом кислорода О. Молекулярная масса воды 18, из них 16 единиц дает кислород, а 2 - водород. Размер молекулы определяется средним расстоянием между ядрами О и Н и составляет примерно 0,1 ммк (10 ^-10 м).

За химической формулой Н²О скрывается вещество, обладающее уникальной структурой и многими аномальными свойствами. Наиболее важные из аномалий воды следующие:

1. Аномалия плотности. Плотность большинства веществ - жидкостей, кристаллов и газов - при нагревании уменьшается, а при охлаждении увеличивается, вплоть до процесса кристаллизации или конденсации. Плотность воды при охлаждении от 100 до 4⁰С возрастает, однако, достигнув максимального значения при температуре 4⁰С, плотность при дальнейшем охлаждении воды начинает уменьшаться. Другими словами, максимальная плотность воды (1.00 г·см ^-3) наблюдается при температуре 4⁰С, а не при температуре замерзания 0⁰С.

2. Аномалия изменения объема при замерзании. Замерзание воды сопровождается скачкообразным уменьшением плотности почти на 10% и плотность пресного льда равна 0,9 г·см ^-3. Плотность большинства других тел, кроме висмута и галлия, увеличивается при переходе из жидкого состояния в твердое. При замерзании вода увеличивает свой объем почти на 10%. В связи с этим лед занимает больший объем, чем жидкая вода, и держится на ее поверхности.

3. Аномалия удельной теплоемкости. Теплоемкость воды аномально высока. Она в 3100 раз больше, чем у воздуха, в 4 раза больше, чем у горных пород. Чтобы нагреть определенное количество воды на один градус, необходимо затратить больше энергии, чем при нагреве других жидкостей, - по крайней мере вдвое по отношению к простым веществам. Из этого вытекает уникальная способность воды сохранять тепло. Подавляющее большинство других веществ таким свойством не обладают.

Кроме того при плавлении льда (0°С) отмечается увеличение удельной теплоемкости с 0,49 в твердой фазе до 1,009 кал/(г·град) в жидкой. Затем теплоемкость воды до температуры около 37°С уменьшается и только после этого начинает увеличиваться.

Вода единственное вещество на Земле (кроме ртути), для которого зависимость удельной теплоемкости от температуры имеет минимум. Из-за того, что удельная теплоемкость воды имеет этот минимум около 37⁰ С, нормальная температура человеческого тела, состоящего на две трети из воды, находится в диапазоне температур 36-38⁰С.

4. Аномалия теплоты плавления. Вода обладает высокой удельной теплотой плавления. Теплота плавления льда равна 79,7 кал·г ^-1, т. е. вода и лед при 0°С отличаются по содержанию скрытой энергии почти на 80 калорий. Воду очень трудно заморозить, а лед - растопить. Благодаря этому климат на Земле в целом достаточно стабилен и мягок.

5. Аномалия скрытой теплоты парообразования. Скрытая теплота парообразования очень велика - 539 кал·г ^-1 при температуре 100°С. Для испарения единичного объема воды, нагретого до 100°С требуется в 5,5 раз больше тепла, чем для нагрева её от 0° до 100°С. Из-за того, что огромное количество тепла принадлежит воде в парообразной фазе, перенос пара в атмосфере играет определяющую роль в переносе в полярные районы избытка тепла, образующегося при поглощении солнечного тепла в тропиках.

6. Аномалия диэлектрической постоянной. Диэлектрическая постоянная воды при 20°С равна 81 единице, а у большинства других веществ она находится в пределах от 2 до 3 единиц. Прямым следствием такой большой диэлектрической постоянной, с химической точки зрения, является сильное ионизирующее свойство воды (расщепление растворенных веществ на ионы) и параллельная ей большая способность к растворению различных веществ.

7. Аномалия коэффициента преломления света. Коэффициент преломления света в воде 1.34. По волновой теории света он должен быть равным 9.