Мало кто из нас задумывался над тем, что представляет собой вода. Она сопровождает нас повсюду и, кажется, нет ничего более обычного и простого. Однако это далеко не так. Многие поколения учёных изучают свойства воды. Совершенствуется научное оборудование и методы исследований, и на каждом этапе развития науки и техники открываются новые удивительные свойства воды. В настоящее время о воде известно очень много – наверное, в природе не существует химического соединения, о котором было бы накоплено больше научной информации, чем о воде. Несмотря на это можно с уверенностью говорить о том, что природа этого вещества ещё не познана до конца и нам предстоит узнать немало. Вода особенно интересна тем, что она является универсальным растворителем многих соединений и приобретает в растворах необычные свойства, которые и представляют первоочередной интерес для исследователей.
В этом обзоре предпринята попытка хотя бы вкратце рассказать о самых замечательных и необычных свойствах воды.
Итак, молекула воды (1 H 2 16 O) состоит из двух атомов водорода (1 H) и одного атома кислорода (16 O). Оказывается, что едва ли не всё многообразие свойств воды и необычность их проявления определяется, в конечном счете, физической природой этих атомов, способом их объединения в молекулу и группировкой образовавшихся молекул. В приведённой выше формуле описана молекула воды, состоящая из природных изотопов водорода 1 H и кислорода 16 O. Кроме этих изотопов в природе существуют небольшие количества других изотопов водорода и кислорода (2 H, 3 H, 17 O, 18 O). Путём ядерных реакций синтезировано несколько искусственных изотопов водорода и кислорода. Таким образом, общее число теоретически возможных вариантов молекулы воды (её изотопных разновидностей) составляет 135. В природе можно обнаружить только часть из них – 18. При этом природная вода более чем на 99% состоит из изотопной разновидности 1 H 2 16 O. Как известно, плотность воды составляет около 1 грамма на кубический сантиметр. Для жидкой воды в интервале температур 0-1000 С наблюдается необычная зависимость величины плотности воды от её температуры. При повышении температуры с 00 С до +40 С наблюдается увеличение плотности, а затем, она начинает снижаться. Таким образом, вода обладает максимальной плотностью при температуре +40 С. С наступлением холодного периода года верхние слои воды, охладившись примерно до +4 0 С и достигнув максимальной плотности, опускаются на дно водоема. Эта вода переносит в глубины кислород и способствует равномерному распределению примесей. На её место к поверхности поднимаются более теплые массы воды, уплотняются, остывая при контакте с приповерхностным воздухом, и, охладившись до +40 С, в свою очередь опускаются вглубь. Перемешивание идет до тех пор, пока вода не охладится и водоем начинает покрываться плавающим слоем льда. Плотность льда ниже плотности воды примерно на 10%, поэтому лёд не тонет, а остаётся на поверхности. Лед надежно предохраняет глубины от дальнейшего промерзания - ведь его теплопроводность намного меньше, чем воды. Именно из-за этих уникальных свойств воды (для большинства других соединений такие закономерности не наблюдаются) водоёмы не промерзают до дна зимой. Если бы это было не так, жизнь подавляющего большинства живых форм на нашей планете была бы просто невозможна. Такая необычная зависимость плотности воды от температуры связана с особенностями строения молекул и их сложным взаимодействием. Эти же особенности являются причиной и других аномальных свойств воды.
Любопытно, что при превращении воды в лёд скачкообразно меняются не только плотность и теплопроводность, но и многие другие свойства. Например, теплоёмкость льда вдвое ниже, чем теплоёмкость воды. Интересно, что теплоемкость воды аномальна не только по своему значению. Удельная теплоемкость разная при различных температурах, причем характер температурного изменения удельной теплоемкости своеобразен: она снижается по мере увеличения температуры в интервале от 0 до 370 С, а при дальнейшем увеличении температуры - возрастает. Минимальное значение удельной теплоемкости воды обнаружено при температуре 36,790 С, а ведь это нормальная температура человеческого тела! Нормальная температура почти всех теплокровных живых организмов также находится вблизи этой точки. Характерно, что явление прохождения удельной теплоемкости воды через минимум при температурном изменении обладает своеобразной симметрией: при отрицательных температурах также обнаружен минимум этой характеристики. Он приходится на -200 С.
Среди необычных свойств воды стоит отметить еще одно - ее исключительно высокое поверхностное натяжение (0,073 Н/м при 200 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 емкости, в которой находится в данный момент. Вода лишь кажется бесформенной, растекаясь по любой поверхности. Сила поверхностного натяжения заставляет молекулы ее наружного слоя сцепляться, создавая упругую внешнюю пленку. Благодаря этой пленке некоторые предметы, даже, будучи тяжелее воды, не погружаются в неё (например, осторожно положенная плашмя стальная иголка). Многие насекомые (водомерки, ногохвостки и др.) не только передвигаются по поверхности воды, но взлетают с нее и садятся, как на твердую 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. Уникальные свойства воды как технической жидкости издавна используются человеком. Широкое применение воды в качестве охладителя объясняется не только и не столько ее доступностью и дешевизной.
Настоящую причину нужно тоже искать в ее физических особенностях. Оказывается, вода обладает еще одной замечательной способностью - высокой теплоемкостью. Поглощая огромное количество теплоты, сама вода существенно не нагревается. Удельная теплоемкость 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.
Аномально высокие значения удельной теплоты парообразования воды и удельной теплоты плавления льда используются человеком в производственной деятельности. Знание природных особенностей этих физических характеристик иногда подсказывает смелые и эффективные технические решения. Так, воду широко применяют в производстве как удобный и доступный охладитель в самых разнообразных технологических процессах. После использования воду можно возвратить в природный водоем и заменить свежей порцией, а можно снова направить на производство, предварительно охладив в специальных устройствах - градирнях.
Постоянно соприкасаясь со всевозможными веществами, вода фактически всегда представляет собой раствор различного, зачастую очень сложного состава. Даже из свежевыпавшей дождевой воды можно выделить различные минеральные и органические вещества, растворенные в ней.
В пресных природных водах - речных, озерных - содержание растворенных веществ обычно не превышает 1 г/л. От нескольких единиц до десятков граммов на литр колеблется содержание солей в морской воде: например, в Балтийском море их не более 5 г/л, в Черном - 18, а в Красном море - около 40 г/л. В среднем в 1 л океанской воды растворено 34...35 г солей. Общее количество их настолько велико, что, выделенные из воды, они покрыли бы поверхность земного шара слоем стометровой толщины. Вода – основа всего живого на земле. Организм человека состоит из воды на 65-70%. Именно в водной среде протекают все биохимические и физические процессы в нашем организме. Поэтому значение воды для нас переоценить невозможно.
Обработка магнитным, электрическим полем, ультразвуком и иные воздействия могут существенно изменить свойства воды, её природных и искусственных растворов. Большая часть этих воздействий до сих пор изучена недостаточно полно. В этом направлении есть ещё очень широкое поле для научных исследований.
