Свойства воды

Свойства воды

Вода - вещество привычное и необычное, самое важное вещество на Земле, по-настоящему уникальное. Статья посвящена изучению воды и ее свойств. В работе подробно описаны именно те свойства, которые отличают воду от других веществ.

Авторы публикации

Рубрика

Физика

Журнал

Журнал «Научный лидер» выпуск # 2 (47), январь ‘22

Дата публицакии 10.01.2022

Поделиться

Чистая вода - прозрачная жидкость, не имеющая цвета, запаха и вкуса. В твердом состоянии вода называется льдом ли снегом, а в газообразном - водяным паром. Около 71 поверхности Земли покрыто водой. «Она является хорошим сильнополярным растворителем». В природных условиях вода всегда содержит растворенные вещества (соли и газы). Она имеет ключевое значение в создании и поддерживании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. Состав воды (по массе): 11,19 водорода и 88,81 кислорода. Наибольшую плотность она имеет при (1 г/. Плотность льда меньше плотности жидкой воды, поэтому лед всплывает на поверхность. Вода замерзает при и кипит при давлении 101325 Па. Она плохо проводит теплоту и очень плохо проводит электричество. Вода – хороший растворитель. Молекула воды имеет угловую форму, атомы водорода по отношению к кислороду образует угол, равный 104,5. Поэтому молекула воды - диполь: та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, а часть, где находится кислород, - отрицательно. Благодаря полярности молекул воды электролиты в ней диссоциируют на ионы.

Аномальными свойствами воды являются те, в которых поведение жидкой воды сильно отличается от того, что наблюдается для других жидкостей. Вода – единственное, что встречается в природе во всех трёх агрегатных состояниях: в твердом, в жидком и в газообразном. В форме газа вода одна из самых легких структур, а как жидкость – намного плотнее, чем ожидалось, но вот в твердом виде вода оказалась намного легче, чем ожидалось, если сравнивать с жидкой формой. Вода может быть чрезвычайно сколькой и липкой. Вода меньше других похожа на жидкость. При низких температурах она ведет себя совершенно иначе, чем в горячем состоянии. Высокая когезия между молекулами придает воде высокую температуру замерзания и плавления. Большая теплоемкость, высокая теплопроводность и высокое содержание воды в организмах способствуют терморегуляции и предотвращают локальные колебания температуры, это позволяет им легче контролировать температуру тела. Высокая скрытая теплота испарения обеспечивает устойчивость к обезвоживанию и значительное испарительное охлаждение. Она обладает уникальными свойствами гидратации по отношению к важным биологическим макромолекулам (особенно белкам и нуклеиновым кислотам), которые определяют их трехмерные структуры и, следовательно, их биологические функции в организме. Вода ионизирует и обеспечивает легкий протонный обмен между молекулами, способствует обогащению ионных взаимодействий в биологии. Кроме того, вода является отличным растворителем благодаря своей полярности, высокой относительной диэлектрической проницаемости и небольшому размеру, особенно для полярных и ионных соединений и солей.

В окрестностях температуры +4 °C вода расширяется при нагревании или охлаждении. Этот максимум плотности в сочетании с низкой плотностью льда приводит к тому, что весь объем пресной воды (а не только ее поверхность) имел бы температуру близкую к +4 °C до того, как может произойти какое-либо замерзание. Замерзание рек, озер и океанов происходит сверху вниз, что позволяет сохранить экологию дна, изолируя воду от дальнейшего замерзания, отражая тепловое излучение в космос.

Большая теплоемкость океанов и морей позволяет им действовать как резервуары тепла, так что температура моря изменяется лишь на треть от температуры суши и, таким образом, смягчает климат нашей планеты Сжимаемость воды снижает уровень моря примерно на 40 м, что дает нам на 5% больше суши. Среди аномалий воды следует отметить противоположные свойства горячей и холодной воды, причем аномальное поведение более выражено при низких температурах, когда свойства переохлажденной воды часто отличаются от свойств льда. При нагревании (переохлажденной) холодной жидкой воды отдельные молекулы сжимаются, объем воды уменьшается и ее становится все труднее сжимать, показатель преломления увеличивается, скорость звука в воде растёт, газы труднее растворяются, их легче нагревать и они лучше проводят тепло. Напротив, при нагревании горячей жидкой воды происходит расширение, воду становится легче сжимать, показатель преломления воды уменьшается, скорость звука в ней уменьшается, газы становятся более растворимыми, их труднее нагревать и они хуже проводят тепло. С увеличением давления отдельные молекулы расширяются, молекулы холодной воды движутся быстрее, но молекулы горячей воды движутся медленнее. Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, лед тает при сжатии, за исключением случаев высокого давления, когда жидкая вода замерзает при сжатии. Аномалии воды проявляются как иерархия эффектов с различными границами. Поскольку плотность всегда увеличивается с увеличением давления, аналогичная зависимость сохраняется и для давления.

Подведём итог и приведём список аномальных термодинамических и физических свойств воды, влияющих на жизнедеятельность человека в целом. Итак, вода имеет:

  1. Необычно высокую температуру плавления.
  2. Необычно высокую температуру кипения.
  3. Необычно высокую критическую точку.
  4. Твердая вода существует в более широком разнообразии стабильных (и метастабильных) кристаллических и аморфных структур, чем другие материалы.
  5. Теплопроводность, модуль сдвига и поперечная скорость звука льда уменьшаются с увеличением давления.
  6. Структура жидкой воды изменяется при высоком давлении.
  7. Переохлажденная вода имеет две фазы и вторую критическую точку около -91°C.
  8. Жидкая вода существует при очень низких температурах и замерзает при нагревании.
  9. Жидкая вода может быть легко перегрета.
  10. Горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная;
  11. Молекулы воды сжимаются при повышении температуры и расширяются при повышении давления.
  12. Вода обладает необычно высокой вязкостью.
  13. Большая вязкость и число Прандтля увеличиваются при понижении температуры.
  14. Вязкость воды уменьшается при давлении ниже 33°C.
  15. Значительно уменьшается диффузия при понижении температуры.
  16. При низких температурах самодиффузия воды увеличивается с увеличением плотности и давления.
  17. Коэффициент температуропроводности достигает максимума при давлении примерно 0,8 ГПа.
  18. Вода обладает необычайно высоким поверхностным натяжением.
  19. Теплота плавления воды с температурой достигает максимума при -17 градусов
  20. Удельная теплоемкость воды более чем в два раза превышает удельную теплоемкость льда или пара.
  21. Вода имеет высокую теплоту испарения, температуру сублимации и энтропию испарения.
  22. Теплопроводность воды высока и достигает максимума примерно при 130 °C.

Список литературы

  1. Воронков, Н.А. Экология: общая, социальная, прикладная. Учебник для студентов вузов / Н.А. Воронков. - М.: Агар, 2016. – 424 с.
  2. Гальперин, М.В. Общая экология: Учебник / М.В. Гальперин. - М.: Форум, 2016. - 336 c.
  3. Маврищев, В.В. Общая экология. Курс лекций: Учебное пособие / В.В. Маврищев. - М.: НИЦ ИНФРА-М, Нов. знание, 2017. - 299 c.

Предоставляем бесплатную справку о публикации,  препринт статьи — сразу после оплаты.

Прием материалов
c по
Осталось 5 дней до окончания
Размещение электронной версии
Загрузка материалов в elibrary