Пожалуй, нет на Земле более распространенного и в то же время более загадочного вещества, чем вода в жидком и твердом состояниях. Достаточно вспомнить, что все живое вышло из воды и состоит в основном из нее; почти три четверти поверхности Земли покрыты водой и льдом, а значительная часть северных территорий суши представляет собой вечную мерзлоту. Чтобы наглядно представить себе суммарное количество льда на нашей планете, заметим, что в случае его таяния вода в Мировом океане поднимется более чем на 50 м, что приведет к затоплению гигантских территорий суши на всем земном шаре. Во Вселенной, в том числе и в Солнечной системе, обнаружены огромные массы льда. Нет ни одного мало-мальски существенного производства, бытовой деятельности человека, в которых не использовалась бы вода. Тем не менее после многочисленных успехов физики и физико-химш воды последних лет вряд ли можно утверждать, что свойства этого простого вещества понятны и прогнозируемы до конца. Предлагаю познакомиться с современными представлениями о важнейших физических свойствах воды и льда в естественных условиях и их использовании на практике.
Вода - вероятно, наиболее изученное вещество. Основы современного понимания физики воды заложили около 200 лет назад Генри Кавен-диш и Антуан Лавуазье, обнаружившие, что вода - это не простой химический элемент, как считали средневековые алхимики, а соединение кислорода и водорода в определенном соотношении. Собственно, название свое водород - рождающий воду - получил только после этого открытия, и вода приобрела современное химическое обозначение, известное теперь каждому школьнику, - Н20. Итак, молекула Н20 построена из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Мы не будем подробно описывать всю историю исследований, отметим лишь то, что устройство молекул воды в настоящее время известно очень точно. Атомы водорода и атом кислорода занимают положения в вершинах равнобедренного тре-. угольника с углом в вершине, занятой кислородом. Известны размеры и углы этой конструкции. Поскольку атомы состоят из положительных и отрицательных частиц (ядер и электронов), такое расположение атомов и существенно большее количество электронов у кислорода (и больший положительный заряд его ядра) приводят к тому, что молекула воды становится похожа на маленький "магнит". Поскольку таких "магнитов" даже в капле воды очень много, то оказывается, что многие из них притягиваются разноименными концами. При этом следует учесть, что, поскольку атомов водорода два, а атом кислорода оттягивает на себя заряд с каждого из водородных атомов, молекула воды способна образовать четыре связи с соседними аналогичными молекулами. Такая связь между молекулами называется водородной. Она встречается в природе очень часто: например, в спиртах и водно-спиртовых растворах, в любой биологической системе. Попробуем разобраться, что происходит, когда скапливается много молекул воды в одном месте..
Представим, что мы поместили рядом с одной молекулой другую, потом еще одну - постепенно мы получим аккуратную пространственную структуру, как будто собранную из детского конструктора. Получается, что каждая молекула воды окружена четырьмя другими, а симметрия такого пространственного расположения такая же, как у правильного шестиугольника. При этом хорошо видно, что расположение молекул не очень плотное - много пустого места. Молекулы воды, расположенные таким образом, и есть хорошо знакомый каждому лед. Отметим, что фиксированные положения в структуре льда занимают только атомы кислорода.
Два атома водорода могут занимать различные положения на четырех связях молекулы воды с другими соседями. Отмеченная выше симметрия решетки приводит к тому, что кристаллики, растущие свободно (например, снежинки), имеют шестилуче-вую форму. Итак, получилась ажурная конструкция из молекул воды, соединенных водородными связями. Давайте разберемся, что будет происходить, если мы станем нагревать ее. Сразу стоит понять, что такое нагревать? Ведь сейчас мы рассуждаем о поведении микроскопических частиц - а к ним общепринятое понятие температуры (тепла) применить не получится. Оказывается, что тепло - это такие же электромагнитные колебания, как свет или радиоволны, но просто другой частоты. Начинаем нагревать "Лего-лед", то есть периодически воздействовать на заряды молекул, например, поместив конструкцию в ведро и потряхивая его. Если сила колебаний не очень велика, то ничего не происходит. При ее увеличении крайние (находящиеся у стенок молекулы) отламываются от общей решетки (ведь у них не четыре, а две-три связи). В такой ситуации большая конструкция болтается в ведре, и у стенок имеется небольшой слой свободных молекул. Если трясти еще сильнее, в некоторый момент вся решетка развалится на куски поменьше, при этом, поскольку начальная конструкция была весьма пустотелой, объем занимаемый "обломками" будет меньше (сравните рисунки).
Несмотря на то, что разрушено всего чуть более десятой части водородных связей, обломки начальной решетки ведут себя уже не как твердое тело, а как жидкость, мы даже можем "вылить" их из ведра. Попробуем потрясти еще сильнее. Из-за того что молекулы и "обломки" решетки двигаются все быстрее, расстояния между ними в среднем увеличиваются - уровень "жидкости" в ведре чуть-чуть повышается. Если трясти ведро еще сильнее, отдельные молекулы начнут вылетать из него, а, продолжив это нелегкое физическое упражнение, можно добиться того, что в ведре не останется ни одной молекулы, А теперь вернемся в начало нашей забавы с конструктором и вспомним, что в реальности молекул воды очень много и они крайне малы по величине. Проследив всю цепочку рассуждений, мы поймем, что описали процесс нагревания и таяния льда, а затем нагревания и испарения воды.
А при какой температуре замерзает вода? Казалось бы, ответ очевиден - конечно, при той же, при которой тает лед. Однако не все так просто. Вода в основном тает при 0°С, но в зависимости от чистоты воды точка замерзания может оказаться и ниже. Хорошо очищенную воду В"лабораторных условиях можно Переохладить (то есть охладить ниже точки таяния льда, и она при этом не замерзнет) почти до -40°С. Хотя, справедливости ради, стоит отметить, что подобная ситуация очень редко встречается в природе. При охлаждении воды кое-где образуются мельчайшие островки льда, которые быстро исчезают, если температура выше точки замерзания. Когда достигнута температура замерзания, такие островки увеличиваются и неуклонно продолжают расти, так как дальнейшее замораживание приводит к понижению свободной энергии системы. В чистой воде размер стровков достигает критического значения при -40°С. Наличие примесей уменьшает величину критического размера ледяных островков, поэтому вода замерзает при более высоких температурах (но ниже 0°С).
Используя это, хотя и сильно приближенное, но весьма наглядное рассуждение, можно объяснить многие удивительные (аномальные) свойства льда и воды.
Плотность воды больше плотности льда, поэтому лед плавает в воде. Максимальную плотность вода имеет при температуре ч-4°С, в результате осенью при замерзании водоема, как только вся толща воды в озере остужается до такой температуры, верхний слой, продолжающий охлаждаться, становится легче, чем вода нижних слоев. Холодная и легкая "верхняя" вода плавает над более теплой, а следовательно, более тяжелой, глубинной. Перемешивание слоев происходит очень медленно, поэтому верхний слой воды, а затем и лед не дают озеру промерзнуть, и зимой температура в глубине озера держится в пределах от +1° до н-4°. До дна же промерзают лишь мелкие озера, да и то в очень сильный мороз. Если же происходит интенсивное перемешивание больших масс воды, то водоем может вообще не замерзать (что наблюдается, например, на Енисее, не замерзающем даже в 30-градусные морозы на десятки километров ниже по течению от Красноярской ГЭС). Осенью первыми покрываются льдом мелкие озерки, затем - прибрежные воды и неглубокие заливы озер. Замерзание водоемов происходит от берегов. Глубокие места могут оставаться свободными ото льда еще не один месяц после того, как прибрежные участки уже покрылись им, поскольку охлаждение нижних слоев идет очень медленно, а если они интенсивно перемешиваются глубинным течением (например, водосбросом искусственной или естественной плотины), то поверхность водоема в этой части может совсем не замерзнуть даже в сильный мороз.
Скорость увеличения толщины поверхностного льда можно очень приближенно оценить в 2 мм на 1 градус мороза в сутки, однако следует помнить, что подобный расчет применим только к неглубоким, спокойным озерам в тихую, безветренную погоду и при чистой, незаснеженной поверхности льда. Таким образом, первый чистый лед на прудах за одну морозную (~10°С) ночь (12 часов) нарастает примерно на 1 см.
В крупных озерах и реках большая масса воды на глубоких участках замедляет, а иногда вообще делает невозможным замерзание. Поэтому нужно быть очень осторожным при оценке несущей способности льда, когда делают ее на основании наблюдений около берега. Особенно внимательным следует быть при довольно обычной погодной ситуации, когда молодой прозрачный лед толщиной около 1 см укрывается неглубоким снегом. Даже небольшой снежный покров замедляет нарастание льда, прекращает его полностью, а иногда приводит к уменьшению толщины в местах течения воды, несмотря на устойчивую морозную погоду, Если же снегопад достаточно силен и сопровождается ветром, то неравномерный толстый снежный покров давит на поверхность льда и растрескивает его снизу, что приводит к появлению вертикальных трещин, в которые проникает переохлажденная вода, и если она просачивается наверх, под снег, то лед может местами подтаять, а под снегом вы этого не увидите. Такая ситуация возможна около береговых обрывов, в местах, где есть подводные источники. Весной это обернется другой опасностью - вода, которая вытекла на лед и пропитала снег, замерзая, образует рыхлый лед, несущая способность которого вдвое-втрое меньше, несмотря на значительную толщину. Еще неприятней может оказаться ситуация на заболоченных водоемах - растения и их корни, задерживая снег и теплоизолируя поверхность, могут привести к тому, что надежное ледяное покрытие при приближении к берегу окажется слишком тонким и проломится.
Какова же безопасная толщина льда? Однозначного достоверного ответа на этот вопрос, к сожалению, нет. Считается, что прозрачный озерный лед толщиной более 5 см надежно выдерживает человека. Но это в идеальных условиях. В межсезонье, когда ночные морозы сменяются солнечным теплым днем, растрескавшийся лед, пронизанный вертикальными трещинами и пропитанный водой, может подвести даже при вчетверо большей толщине. Особенно внимательно нужно относиться к местам, укрытым сугробами, и участкам рек с резко меняющимся профилем дна и берегов. Часто течение истончает ледяной покров у мысов каменных островов, опор мостов (где заметное влияние оказывает еще и нагревание солнцем бетонных и металлических конструкций).
Каждому известно, что вода может находиться в природе в трех агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном. При плавлении происходит превращение твердого льда в жидкость, а при дальнейшем нагревании жидкость испаряется, образуя водяной пар. Каковы же условия плавления, кристаллизации, испарения и конденсации воды? При какой температуре тает лед или образуется пар? Об этом мы поговорим в данной статье.
Нельзя сказать, что водяной пар и лед редко встречаются в повседневной жизни. Однако наиболее распространенным является именно жидкое состояние - обычная вода. Специалисты выяснили, что на нашей планете находится более 1 млрд кубических километров воды. Однако не более 3 млн км 3 воды принадлежат пресным водоемам. Достаточно большое количество пресной воды «покоится» в ледниках (около 30 млн кубических километров). Однако растопить лед таких огромных глыб далеко не просто. Остальная же вода соленая, принадлежащая морям Мирового океана.
Вода окружает современного человека повсюду, во время большинства ежедневных процедур. Многие считают, что запасы воды неиссякаемы, и человечество сможет всегда использовать ресурсы гидросферы Земли. Однако это далеко не так. Водные ресурсы нашей планеты постепенно истощаются, и уже через несколько сотен лет пресной воды на Земле может не остаться вовсе. Поэтому абсолютно каждому человеку нужно бережно относиться к пресной воде и экономить ее. Ведь даже в наше время существуют государства, в которых запасы воды катастрофически малы.
Свойства воды
Прежде чем говорить о температуре таяния льда, стоит рассмотреть основные свойства этой уникальной жидкости.
Итак, воде присущи следующие свойства:
- Отсутствие цвета.
- Отсутствие запаха.
- Отсутствие вкуса (однако качественная питьевая вода имеет приятный вкус).
- Прозрачность.
- Текучесть.
- Способность растворять различные вещества (например, соли, щелочи и т. д.).
- Вода не имеет собственной постоянной формы и способна принимать форму сосуда, в который попадает.
- Способность очищаться посредством фильтрования.
- При нагревании вода расширяется, а при охлаждении сжимается.
- Вода может испаряться, превращаясь в пар, и замерзать, образуя кристаллический лед.
В этом списке представлены основные свойства воды. Теперь разберемся, каковы особенности твердого агрегатного состояния этого вещества, и при какой температуре тает лед.
Лед - это твердое кристаллическое вещество, которое имеет достаточно неустойчивую структуру. Он, как и вода, прозрачен, не имеет цвета и запаха. Также лед обладает такими свойствами, как хрупкость и скользкость; он холодный на ощупь.
Снег также представляет собой замерзшую воду, однако обладает рыхлой структурой и имеет белый цвет. Именно снег каждый год выпадает в большинстве стран мира.
Как снег, так и лед - крайне неустойчивые вещества. Чтобы растопить лед, не нужно прикладывать особых усилий. Когда же он начинает таять?
В природе твердый лед существует только при температуре 0 °C и ниже. Если же температура окружающей среды поднимается и становится больше 0 °C, лед начинает таять.
При температуре таяния льда, при 0 °C, происходит и другой процесс - замерзание, или кристаллизация, жидкой воды.
Данный процесс можно наблюдать всем жителям умеренно континентального климата. Зимой, когда температура на улице опускается ниже 0 °C, достаточно часто выпадает снег, который не тает. А жидкая вода, находившаяся на улицах, замерзает, превращаясь в твердый снег или лед. Весной же можно увидеть обратный процесс. Температура окружающей среды поднимается, поэтому лед и снег тают, образуя многочисленные лужи и грязь, которую можно считать единственным минусом весеннего потепления.
Таким образом, можно сделать вывод, что, при какой температуре начинает таять лед, при такой же температуре начинается и процесс замерзания воды.
Количество теплоты
В такой науке, как физика, часто используется понятие количества теплоты. Данная величина показывает количество энергии, необходимой для нагревания, плавления, кристаллизации, кипения, испарения или конденсации различных веществ. Причем каждый из перечисленных процессов имеет свои особенности. Поговорим о том, какое количество теплоты для нагревания льда требуется в обычных условиях.
Чтобы нагреть лед, нужно сначала его растопить. Для этого необходимо количество теплоты, нужное для плавления твердого вещества. Теплота равняется произведению массы льда на удельную теплоту его плавления (330-345 тысяч Джоулей/кг) и выражается в Джоулях. Допустим, что нам дано 2 кг твердого льда. Таким образом, чтобы его растопить, нам понадобится: 2 кг * 340 кДж/кг = 680 кДж.
После этого нам необходимо нагреть образовавшуюся воду. Количество теплоты для данного процесса рассчитать будет немного сложнее. Для этого нужно знать начальную и конечную температуру нагреваемой воды.
Итак, допустим, что нам требуется нагреть получившуюся в результате плавления льда воду на 50 °C. То есть разница начальной и конечной температуры = 50 °C (начальная температура воды - 0 °C). Тогда следует умножить разность температур на массу воды и на ее удельную теплоемкость, которая равняется 4 200 Дж*кг/°C. То есть количество теплоты, необходимое для нагревания воды, = 2 кг * 50 °C * 4 200 Дж*кг/°C = 420 кДж.
Тогда получаем, что для плавления льда и последующего нагревания получившейся воды нам потребуется: 680 000 Дж + 420 000 Дж = 1 100 000 Джоулей, или 1,1 Мегаджоуль.
Зная, при какой температуре тает лед, можно решить множество непростых задач по физике или химии.
В заключение
Итак, в данной статье мы узнали некоторые факты о воде и о двух ее агрегатных состояниях - твердом и жидком. Водяной пар, однако, представляет собой не менее интересный объект для изучения. Например, в нашей атмосфере содержится приблизительно 25*10 16 кубических метров водяного пара. К тому же, в отличие от замерзания, испарение воды происходит при любой температуре и ускоряется при ее нагревании или при наличии ветра.
Мы узнали, при какой температуре тает лед и замерзает жидкая вода. Такие факты всегда пригодятся нам в повседневной жизни, так как вода окружает нас повсюду. Важно всегда помнить о том, что вода, в особенности пресная, является иссякаемым ресурсом Земли и нуждается в бережном к ней отношении.
Таяние льда с приходом календарной весны происходит по-разному, и это зависит от географического расположения водоёма. Я понял, что речь идёт о понятии "последний лёд". Скорость таяния льда определить сложно и нельзя руководствоваться появившимися в интернете графиками. Многое зависит от характеристик водоёма. На малых лесных озёрах и прудах можно ориентироваться по безопасной толщине льда от 10 см. На таких водоёмах лёд тает постепенно и непредсказуемые ситуации - большая редкость.
На большом озере или реке можно столкнуться с такой ситуацией, когда прихваченный ночным морозом лёд не вызывает опасения и рыболовы устремляются в "знакомые" места вместе с поклажей, вес которой достигает нескольких десятков килограммов. После потепления важно следить за состоянием льда. Если лёд легко пробивается пешнёй, то лучше отказаться от рыбалки и позаботиться о безопасном выходе на берег. Кстати, важно помнить, что вероятность провалиться под лёд в прибрежной зоне вырастает в разы.
Лёд не является монолитом и состоит из кристаллов, которые при повышении температуры становятся хрупкими. Это является основным отличием от первого льда, когда образующиеся трещины свидетельствуют об опасности. Рыхлый последний лёд может провалиться просто под ногами. Нельзя прибавлять подтаявший слой снега к толщине льда.
Конечно, весенний ход рыбы привлечёт многих рыболовов-зимников. Но в каждом конкретном случае важно позаботиться о своей безопасности.
Please enable JavaScript to view theЕсли лед поместить в сосуд и поставить его над работающей горелкой, сосуд нагреется и лед начнет таять. Однако до тех пор, пока весь лед не превратится в жидкость, температура воды не поднимется выше 0°С (32°F), вне зависимости от степени разогрева плиты. Это происходит из-за того, что вся подводимая ко льду теплота идет на преодоление физических сил, связывающих между собой его молекулы.
У льда молекулы воды удерживаются вместе межмолекулярными связями, формирующимися между атомом водорода (показан синим цветом) одной молекулы и атомом кислорода (показан красным цветом) другой. Результирующая гексагональная кристаллическая структура имеет довольно высокую прочность. При 0°С молекулы движутся настолько быстро, что связи ослабевают. Часть межмолекулярных связей разрывается, позволяя молекулам воды покидать лед с образованием жидкости. Такой процесс называется фазовым переходом (вода переходит из твердой фазы в жидкую), а температура, при которой он протекает, называется точкой плавления.
Для разрушения связей, позволяющих воде находиться в твердом состоянии, необходима энергия, причем в очень большом количестве, поэтому вся теплота, выделяемая горелкой, идет на разрывание этих связей, а не на увеличение температуры льда. Теплота, необходимая для завершения описанного выше фазового превращения, называется скрытой теплотой плавления или теплотой фазового перехода, так как эта теплота не приводит к росту температуры. Только после того, как последние связи будут разрушены и весь лед расплавится, температура воды начнет увеличиваться и станет выше 0°С.
Как происходит таяние льда
- У льда молекулы воды движутся так медленно, что всегда сохраняют связь друг с другом, образуя твердое тело. Когда ко льду подводится теплота (на рисунке справа показана в виде желтых шариков), молекулы воды приобретают дополнительную энергию и движутся быстрее, однако все еще связанные вместе в виде льда.
- Если подвод теплоты продолжается, молекулы воды, находящиеся на поверхности льда, увеличивают скорость своих колебательных движений, разрывая межмолекулярные связи, удерживавшие их раньше на месте. Эти молекулы покидают лед и образуют жидкую фазу воды. Дальнейший подвод теплоты приводит к разрушению оставшихся межмолекулярных связей и постепенному таянию льда.
- Продолжающийся подвод теплоты в конце концов дает последним из молекул замерзшей воды достаточно энергии для преодоления межмолекулярных связей, удерживавших их вместе в виде льда. Вся вода теперь стала жидкостью.
Лед, вода и температура
При подводе ко льду теплоты (рисунок слева) сначала увеличивается его температура. Однако при 0°С (32°F) рост температуры прекращается и наступает фазовый переход: лед начинает таять. Как показывает голубая кривая на графике, дополнительный подвод теплоты приводит к дальнейшему таянию льда, не увеличивая температуру воды. Только после того как весь лед перейдет в жидкое состояние (рисунок над текстом), дополнительный подвод теплоты приводит к увеличению температуры воды.
Лечение водой
Кувшинные фильтры, картриджи
Вода при 4°С
Вопрос:
При 4 °С вода имеет максимальную плотность. Почему? почему вода на дне водоема именно при этой температуре? заранее спс. Саша
Ответ:
Уважаемый, Александр!
Вода - одно из самых загадочных веществ нашей планеты. Будучи нормальным мономолекулярным соединением, она должна была бы кипеть при + 70°C, а замерзать почти при -100°C. В отличие от всех остальных жидкостей, вода при затвердевании уменьшает свой вес. Максимальная плотность воды наблюдается при +4°C. Этот факт чрезвычайно важен для биосферы. В результате лед образуется на поверхности водоемов, не давая им промерзать до дна, и, тем самым, не давая погибнуть рыбам и прочим представителям водной фауны в зимнее время.
Поверхностное натяжение чистой воды больше, чем у любой другой жидкости, кроме ртути. У абсолютно чистой воды поверхностное натяжение таково, что по ней можно было бы кататься на коньках. Наличие примесей резко снижает величину поверхностного натяжения воды. Одна из "странностей" воды в том, что это вещество - единственное на Земле - всегда выступает в трех фазах - жидком, твердом и газообразном.
Молекула воды имеет угловое строение; входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине - ядро атома кислорода. Межъядерные расстояния О-Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно примерно 0,15 нм. Из восьми электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды, две электронные пары образуют ковалентные связи О-Н, а остальные четыре электрона представляют собой две неподеленные электронные пары. Таким образом, молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Так как масса и заряд ядра кислорода больше чем у ядер водорода, то электронное облако стягивается в сторону кислородного ядра. При этом ядра водорода “оголяются”. Таким образом, электронное облако имеет неоднородную плотность. Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды. Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура - правильный тетраэдр.
Молекулярная масса парообразной воды равна 18 и отвечает ее простейшей формуле. Однако молекулярная масса жидкой воды, определяемая путем изучения ее растворов в других растворителях, оказывается более, высокой. Это свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т.е. соединение их в более сложные агрегаты. Такой вывод подтверждается и аномально высокими значениями температур плавления и кипения воды. Ассоциация молекул воды вызвана образованием между ними водородных связей.
Благодаря наличию водородных связей каждая молекула воды образует водородную связь с 4-мя соседними молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас в молекуле льда. Однако, в жидком состоянии вода – неупорядоченная жидкость; эти водородные связи - спонтанные, короткоживущие, быстро рвутся и образуются вновь. Всё это приводит к неоднородности в структуре воды.
Водородные связи между молекулами воды
То, что вода неоднородна по своему составу, было установлено давно. С давних пор известно, что лёд плавает на поверхности воды, то есть плотность кристаллического льда меньше, чем плотность жидкости. Почти у всех остальных веществ кристалл плотнее жидкой фазы. К тому же и после плавления при повышении температуры плотность воды продолжает увеличиваться и достигает максимума при 4°C. Менее известна аномалия сжимаемости воды: при нагреве от точки плавления вплоть до 40°C она уменьшается, а потом увеличивается. Теплоёмкость воды тоже зависит от температуры немонотонно. Кроме того, при температуре ниже 30°C с увеличением давления от атмосферного до 0,2 ГПа вязкость воды уменьшается, а коэффициент самодиффузии - параметр, который определяет скорость перемещения молекул воды относительно друг друга растёт. Для других жидкостей зависимость обратная, и почти нигде не бывает, чтобы какой-то важный параметр вёл себя не монотонно, т.е. сначала рос, а после прохождения критического значения температуры или давления уменьшался. Возникло предположение, что на самом деле вода - это не единая жидкость, а смесь двух компонентов, которые различаются свойствами, например плотностью и вязкостью, а следовательно, и структурой. Такие идеи стали возникать в конце XIX века, когда накопилось много данных об аномалиях воды.
Сейчас наукой доказано, что особенности физических свойств воды и многочисленные короткоживущие водородные связи между соседними атомами водорода и кислорода в молекуле воды создают благоприятные возможности для образования особых структур-ассоциатов (кластеров), воспринимающих, хранящих и передающих самую различную информацию.
Структурной единицей такой воды является кластер, состоящий из клатратов, природа которых обусловлена дальними кулоновскими силами. В структуре кластров закодирована информация о взаимодействиях, имевших место с данными молекулами воды. В водных кластерах за счёт взаимодействия между ковалентными и водородными связями между атомами кислорода и атомами водорода может происходить миграция протона (Н+) по эстафетному механизму, приводящие к делокализации протона в пределах кластера.
Вода, состоящая из множества кластеров различных типов, образует иерархическую пространственную жидкокристаллическую структуру, которая может воспринимать и хранить огромные объемы информации.
Лёд – кристаллическая модификация воды. По последним данным лёд имеет 14 структурных модификаций. Среди них есть и кристаллические (их большинство) и аморфные модификации, но все они отличаются друг от друга взаимным расположением молекул воды и свойствами. Правда, все, кроме привычного нам льда, кристаллизующего в гексагональной сингонии, образуются в условиях экзотических - при очень низких температурах и высоких давлениях, когда углы водородных связей в молекуле воды изменяются и образуются системы, отличные от гексагональной. Такие условия напоминают космические и не встречаются на Земле. Например, при температуре ниже –110 °С водяные пары выпадают на металлической пластине в виде октаэдров и кубиков размером в несколько нанометров - это так называемый кубический лед. Если температура чуть выше –110 °С, а концентрация пара очень мала, на пластине формируется слой исключительно плотного аморфного льда.
Наиболее изученным является лёд I-й природной модификации. Лёд встречается в природе в виде льда (материкового, плавающего, подземного и т.д.), а также в виде снега, инея и т.д. Он распространён во всех областях обитания человека. Собираясь в огромных количествах, снег и лед образуют особые структуры с принципиально иными, нежели у отдельных кристаллов или снежинок, свойствами. Ледники, ледяные покровы, вечная мерзлота, сезонный снежный покров существенно влияют на климат больших регионов и планеты в целом: даже те, кто никогда не видел снега, чувствуют на себе дыхание его масс, скопившихся на полюсах Земли, например, в виде многолетних колебаний уровня Мирового океана. Лед имеет столь большое значение для облика нашей планеты и комфортного обитания на ней живых существ, что ученые отвели для него особую среду - криосферу, которая простирает свои владения высоко в атмосферу и глубоко в земную кору.
Две последние модификации льда - XIII и XIV - открыли ученые из Оксфорда совсем недавно, в 2006 году. Предположение о том, что должны существовать кристаллы льда с моноклинной и ромбической решетками, было трудно подтвердить: вязкость воды при температуре –160°С очень высока, и собраться вместе молекулам чистой переохлажденной воды в таком количестве, чтобы образовался зародыш кристалла, трудно. Этого удалось достичь с помощью катализатора - соляной кислоты, которая повысила подвижность молекул воды при низких температурах. В земной природе подобные модификации льда образовываться не могут, но они могут встречаться на замерзших спутниках других планет.
Табл. Некоторые известные модификации льда
Примечание. 1 A=10 -10 м.
Разгадка структуры льда заключается в строении его молекулы. Кристаллы всех модификаций льда построены из молекул воды H 2 O, соединённых водородными связями в трёхмерный каркас, аналогичный структуре алмаза. Именно в связи с тем, что лёд имеет такую высокорегулярную сетчатую структуру и связи с низким координационным числом лёд имеет невысокую плотность.
Рис. Структура алмаза
Рис.. Структура льда.
Каждая молекула в структуре льда участвует в 4 таких связях, направленных к вершинам тетраэдра. При взаимодействии протона одной молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы возникает водородная связь, менее сильная, чем связь внутримолекулярная, но достаточно могущественная, чтобы удерживать рядом соседние молекулы воды. Каждая молекула может одновременно образовывать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, равными 109°28", направленных к вершинам тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру. При этом в структурах льда I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр правильный. В структурах льда II, III, V и VI тетраэдры заметно искажены. В структурах льда VI, VII и VIII можно выделить 2 взаимоперекрещивающиеся системы водородных связей. Этот невидимый каркас из водородных связей располагает молекулы в виде сетчатой сетки, по структуре напоминающей соты с полыми каналами. Если лед нагреть, сетчатая структура разрушится: молекулы воды начинают проваливаться в пустоты сетки, приводя к более плотной структуре жидкости, - именно поэтому вода тяжелее льда.
Лед, который образуется при атмосферном давлении и плавится при 0 °С, - самое привычное, но всё же до конца не понятное вещество. Многое в его структуре и свойствах выглядит необычно. В узлах кристаллической решетки льда атомы кислорода выстроены упорядоченно, образуя правильные шестиугольники, а атомы водорода занимают самые разные положения вдоль связей. Поэтому возможны 6 эквивалентных ориентаций молекул воды относительно их соседей. Часть из них исключается, поскольку нахождение одновременно 2 протонов на одной водородной связи маловероятно, но остаётся достаточная неопределённость в ориентации молекул воды. Такое поведение атомов нетипично, поскольку в твердом веществе все подчиняются одному закону: либо все атомы расположены упорядоченно, и тогда это - кристалл, либо случайно, и тогда это - аморфное вещество. Такая необычная структура может реализоваться в большинстве модификаций льда - I, III, V, VI и VII (и по-видимому в Ic), а в структуре льда II, VIII и IX молекулы воды ориентационно упорядочены. По выражению Дж. Бернала лёд кристалличен в отношении атомов кислорода и стеклообразен в отношении атомов водорода.
Значение льда трудно недооценить. Лёд оказывает большое влияние на условия обитания и жизнедеятельности растений и животных, на разные виды хозяйственной деятельности человека. Покрывая воду сверху, лед играет в природе роль своего рода плавучего экрана, защищающего реки и водоемы от дальнейшего замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к гибели всех живых существ в реках, озерах и океанах, которые замерзли бы целиком, превратившись в глыбы льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого.
В связи с широким распространением воды и льда на Земле отличие свойств льда от свойств других веществ играет важную роль в природных процессах. Вследствие меньшей, чем у воды, плотности лёд образует на поверхности воды плавучий покров, предохраняющий реки и водоёмы от донного замерзания. Зависимость между скоростью течения и напряжением у поликристаллического льда гиперболическая; при приближённом описании её степенным уравнением показатель степени увеличивается по мере роста напряжения.
Кроме того, скорость течения льда прямо пропорциональна энергии активации и обратно пропорциональна абсолютной температуре, так что с понижением температуры лёд приближается по своим свойствам к абсолютно твёрдому телу. В среднем при близкой к таянию температуре текучесть льда в 106 раз выше, чем у горных пород. Благодаря своей текучести лёд не накопляется в одном месте, а в виде ледников постоянно перемещается.
К другим необычным свойствам льда относят и генерацию электромагнитного излучения его растущими кристаллами. Известно, что большинство растворенных в воде примесей не передается льду, когда он начинает расти; они вымораживается. Поэтому даже на самой грязной луже пленка льда чистая и прозрачная. При этом примеси скапливаются на границе твердой и жидкой сред, в виде двух слоев электрических зарядов разного знака, которые вызывают значительную разность потенциалов.
Заряженный слой примесей перемещается вместе с нижней границей молодого льда и излучает электромагнитные волны. Благодаря этому процесс кристаллизации можно наблюдать в деталях. Так, кристалл, растущий в длину в виде иголки, излучает иначе, чем покрывающийся боковыми отростками, а излучение растущих зерен отличается от того, что возникает, когда кристаллы трескаются. По форме, последовательности, частоте и амплитуде импульсов излучения можно определить, с какой скоростью замерзает лед и какая при этом получается ледовая структура.
Так почему же максимальная плотность воды наблюдается при +4°C? Дело в том, что при таянии льда его структура разрушается. Но и в жидкой воде сохраняются водородные связи между молекулами: образуются ассоциаты - обломки структур льда, - состоящих из большего или меньшего числа молекул воды.
Однако в отличит от льда каждый ассоциат существует очень короткое время: постоянно происходит разрушение одних и образование других агрегатов. В пустотах таких “ледяных” агрегатов могут размещаться одиночные молекулы воды; при этом упаковка молекул воды становится более плотной. Именно поэтому при таянии льда объем, занимаемый водой, уменьшается, а ее плотность возрастает.
Образование водородных связей приводит к такому расположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другом своими разноименными полюсами. Молекулы образуют слои, причем каждая из них связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной – из соседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы.
Вода при таянии льда сохраняет температуру 4 °С, пока не растает весь лёд. При этом специфика межмолекулярных взаимодействий, характерная для структуры льда, сохраняется и в талой воде при 4 0С, так как при плавлении кристалла льда разрушается только 15% всех водородных связей в молекуле. Поэтому присущая льду связь каждой молекулы воды с четырьмя соседними молекулами в значительной степени не нарушается, хотя и наблюдается бoльшая размытость кислородной каркасной решетки.
Поэтому вода при 4 0С отличается от обычной изобилием многомолекулярных кластеров, в которых в течение некоторого времени сохраняются рыхлые льдоподобные структуры. После таяния всего льда температура воды повышается и водородные связи внутри кластеров перестают противостоять возрастающим тепловым колебаниям атомов. Размеры кластеров изменяются, и поэтому начинают меняться свойства талой воды: диэлектрическая проницаемость приходит к своему равновесному состоянию через 15-20 минут, вязкость - через 3-6 суток. Биологическая активность такой талой воды спадает, по одним данным, приблизительно за 12-16 часов, по другим - за сутки. Физико-химические свойства талой воды самопроизвольно меняются во времени, приближаясь к свойствам обычной воды: она постепенно как бы "забывает" о том, что еще недавно была льдом.
Однако по мере нагревания воды, обломков структуры льда в ней становится все меньше, что приводит к дальнейшему повышению плотности воды. В интервале температур от 0 до 4°С этот эффект преобладает над тепловым расширением, так что плотность воды продолжает возрастать. Однако при нагревании выше 4°С преобладает влияние усиления теплового движения молекул и плотность воды снова уменьшается. Поэтому при 4°С вода обладает максимальной плотностью. При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей (энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25 кДж/моль). Этим фактом и объясняется в частности, высокая теплоемкость воды.
Таким образом, увеличение плотности при плавлении, как и в случае плотных модификаций льда, объясняется искривлением водородных связей и отклонением углов между ними от тетраэдрических. Искривление связей увеличивается с ростом температуры и давления, что приводит к возрастанию плотности. С другой стороны, при нагревании средняя длина водородных связей становится больше, в результате чего плотность уменьшается. Совместное действие двух факторов объясняет наличие максимума плотности воды при 4 °С.
Плотность воды является одним из её важнейших свойств. Максимальную плотность пресная вода имеет при 4 С. При этой температуре один килограмм воды занимает минимальный объем. При понижении температуры от 4 0С до 0 С плотность воды уменьшается, т. е. вода с температурой 4 0С находится внизу как более плотная вода, а более холодная вола с низкой плотностью поднимается наверх, где и замерзает, превращаясь в лед. Понятно, почему не работает механизм конвекции: плотность нагреваемой сверху воды уменьшается, она не может опуститься вниз и отдать тепло льду. Плотность льда в свою очередь меньше плотности воды, поэтому лед плавает на поверхности, предохраняя воду от дальнейшего охлаждения.
Если бы ни аномалия плотности воды, т.е. при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались. бы до 0°С и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0°С. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоем промерзал бы на всю его глубину. При этом формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотности вода достигает именно при 4 °С, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.
В отличие от пресной воды, морская вода при охлаждении ведет себя иначе. Замерзает она не при 0 0С, а при -1,8-2,1 0С - в зависимости от концентрации растворенных в ней солей. Имеет максимальную плотность не при + 4 0С, а при -3,5 0С. Таким образом, она превращается в лед, не достигая наибольшей плотности. Если вертикальное перемешивание в пресных водоемах прекращается при охлаждении всей массы воды до +4 0С, то в морской воде происходит даже при температуре ниже 0 0С. При этом процесс обмена между верхними и нижними слоями идет непрерывно.
С уважением,
к.х.н. О.В. Мосин
Доброго времени суток. Раньше где-то слышала, что лёд/снег тает при 4 градусах Цельсия. Но теперь не могу найти подтверждения этому факту. Можете дать пояснения, при какой температуре тает лёд в обычных условиях? А при каких условиях тает при 4 градусах Цельсия?
Парадокс плотности воды от +0 до +4 градусов в том что по
моему мнению вода H - O - H на самом деле физически несимметрична, но с химической стороны вроде - бы в норме.
Вроде - бы, но нет.
И это свойство несимметричности на самом деле есть во всех структурах и молекулах с изменением температуры как и в случае с водой.
Эффект Мпемба тоже выглядит необычно в моей температурной модели.
Друзья, это знания 8 класса средней школы, и не нам объяснять, почему вода - это диполь, или почему она замерзает при +4 С. Это вам должны были объяснить ещё в школе. Если не объяснили - вопрос легко находит ответ, стоит только открыть любой учебник или справочник.
Здесь мы стремимся привлечь более компетентную аудиторию, давайте держать соответствующие рамки и не опускаться ниже школьной программы по химии 8 класса, будем выше - раскрывать связи, закономерности и т.д. и т.п.
Друзья, подскажите как приготовить лед с повышенной температурой плавления? Например +15 градусов по Цельсию.
Среда нахождения и пространство обладает структурой. Эта структура есть динамическая решетка эфира. Называя ее "динамической", я подчеркиваю, что она находится в постоянной динамике, ее структурные сегменты (частицы эфироны) находятся в постоянном движении и вращении, называя ее "решеткой", я подчеркиваю, что она есть одно целое, среда, заполняющая все пространство, тот самый эфир, который искали. Та самая магнитная решетка, о которой говорил и говорит Крайон. Официальный научный элемент судит о структуре магнитного поля магнита визуализируя его с помощью метода Фарадея - железных опилок. Для времен Фарадея это было по истине гениальным решением - "увидеть структуру магнитного поля"... Но Фарадей так и не определился с вопросом - "либо силовые линии магнита принадлежат самому магниту, либо силовые линии принадлежат пространству, а магнит просто искривляет эти линии"... С тех пор прошло 200 лет и сегодня для изучения магнитного поля альтернативные ученые применяют магнитную жидкость, которая состоит из тех же самых опилок, но в жидком состоянии. Сегодня альтернативная наука уверенно заявляет: "силовые линии магнитного поля земли лишь искривляются посредством магнита, но не принадлежат ему"... Визуализируя структуру магнитного поля с помощью просто железных опилок, мы получаем двух мерное, ограниченное для изучения изображение, "рисунок", на листе бумаги. Но если визуализировать магнитное поле с помощью магнитной жидкости, мы получим трехмерное изображение этой структуры. Однако, официальная наука, видать из-за недостаточного государственного финансирования так и не смогла приобрести такую жидкость... Может сбросимся по копейке? Мне не жалко на такое дело. В итоге знания официальной науки о структуре магнитного поля остановились на уровне Фарадея и дальше не продвинулись. Да, появились датчики магнитного поля, которые несут некоторые характеристики и информацию о свойствах магнитного (электромагнитного) поля, но не о самом главном - структуре магнитного поля. Если вдруг, официальная наука решится на изучение структуры магнитного поля, она "откроет" для себя много разных и удивительных тайн природы.. Например, что пчелы делают свои соты круглыми, а шестигранниками они становятся уже без пчел под влиянием структуры магнитного поля земли! И главный вывод который их ожидает, что все физические взаимодействия в природе происходят посредством деформации (искривления) структуры магнитного поля вселенной или эфира. Начав изучать эту структуру, они поймут, что никаких "виртуальных частиц", "нейтрино", "фотонов", "гравитонов" не существует... Таким образом для ученых открывается огромная перспектива научного познания... Тот 100 летний "научный тормоз" будет преодолен за считанные годы для того, чтобы вывести Россию в лидеры научного руководства, всемирного "министра образования", который будет определять вектор развития прогресса нашей цивилизации.. Фарадей в своих трудах задавал себе вопрос... "принадлежат ли силовые линии магнита самому магниту или же силовые линии магнита принадлежат среде нахождения магнита"... Чтобы это выяснить, я срочно приобрел микроскоп, магнитную жидкость, настрогал сухих опилок, вооружился батарейками, блоками питания и катушками, обложил себя со всех сторон мультиметрами и всякими справочниками... Налил жидкость и увеличил ее в 20 раз... и я увидел там соты... и в одно мгновение я понял основной принцип.. Мгновенно я провел параллель с пчелиными сотами... потом я начал "применять" этот принцип к физическим явлениям, ячейкам Бенара, снежинкам, кристаллам, фигурам Хладини, ультразвуковой волне... базальтовым структурам, клеткам биологических объектов и прочим сотовым вещам в нашем мире... Сразу всплывают "Платоновы тела"... Теория динамической решетки эфира это перечень физических явлений и объяснение их смысла с позиции основного принципа их формирования, что перво основной средой их формирования является структура среды, т. Е. эфира. Вокруг любого тела на Земле существует "поле", только применительно к магниту мы говорим "магнитное поле", а применительно к живому объекту говорим "биологическое поле", а применительно к планете Земля говорим "гравитационное поле"... а применительно к звуковой волне говорим "звуковая волна"... Меняя его название мы лишь привязываем его к объекту, вокруг которого оно существует, но оно всюду одинаковое и имеет абсолютно одинаковую суть. Представьте себе много разных кораблей, ходящих по морю. Вы же не называете "вода этого корабля" или "вода другого корабля", так и поле для всех тел единое. Т. е. Нет множества разных полей и множества разных частиц, есть одно первородное поле но разного состояния и есть только одна единственная частица - эфирон, частица, которая может принимать бесконечное число своих структурных состояний, являя тем самым многообразие форм и геометрий окружающего нас мира. Большинство выводов электромагнетизма базируются на изначально ошибочном понимании и постулате из учебника о том, что якобы вокруг проводника образуется два поля: магнитное и электромагнитное. Сразу два поля! В то время как на самом деле вдоль и вокруг проводника магнитное поле земли существует всегда, структура которого под действием электричества искривляется в вихревое электромагнитное состояние. Т. е. Вокруг проводника не образуется два поля, а преобразуется одно и которое искривляется! Данный вывод не просто набор слов, а экспериментально подтвержденный факт. Что такое электрическое поле, что такое магнитное поле и что такое электромагнитное поле? Электрическое поле это электрический ток, просто мера изменения состояния частиц среды, как температура и давление - оно не материально. Т. е. Основной факт в том, что электричество или как его ошибочно называют "поле" - не материальная структура, а мера искривления (изменения состояния) материальной структуры Магнитного поле Земли. Электромагнитное поле это изменение структуры магнитного поля Земли в вихревое электромагнитное состояние. Даже тогда, когда Вы скажете: "вихревые токи Фуко", то под "вихревым" нельзя понимать сами "токи", а только материальную структуру электромагнитного поля, которая может быть вихревой и которая всегда снаружи по отношению к самому проводнику. Проводники, сердечники трансформаторов, да и вообще любая среда греются из-за силы трения материальных объектов - частиц эфиронов о материал (среду) сердечника или проводника, вызывая их нагрев. Магнитное поле преобразуется в вихревое электромагнитное состояние так: Структура магнитного поля - "относительно" неподвижные конуса, основание которых соты. Если систему некоторым образом возмутить (деформировать) т. Е. сообщить ей температуру, давление или электрический потенциал, соты преобразуются в вихревое состояние. Параметры вращения структуры, скорости, определяются параметрами самого возмущения. Например при силе тока 100 ампер и напряжении 1 вольт вихри практически стоят на месте их диаметр 0, 1 мм, но частота их вращения огромна. Поэтому они "трутся" создавая трение и образец нагревается. (индукционный нагрев). Повышая же напряжение системы мы будем увеличивать размер вихрей до образования так называемой "зоны ионизации", внутри которой могут зажигаться газовые лампы. Т. е. Меняя параметры возмущения мы будем менять скорость движения, частоту вращения, размер и геометрию самих вихрей. Вернемся к понятию "относительность", рассмотрев следующую аналогию. Известно, что при нагревании воды ее частицы начинают быстрее вращаться и двигаться. Вопрос: Частицы начали двигаться с нулевой скорости или они продолжили увеличивать свою скорость так, что для наблюдателя стало заметно отличие и он заключил: "частицы начали увеличивать скорость" ? Т. е. "нулевая скорость" или как говорят "нулевые колебания" - нулевые только относительно наблюдателя процесса, относительно скажем солнца они движутся и вращаются, но для наблюдателя они кажутся неподвижными! Т. е. Частицы наблюдателя и частицы спокойной воды колеблются с одинаковыми скоростями, и когда воду нагревают ее частицы не начинают двигаться, а лишь увеличивают свою скорость так, что становится заметно отличие. То же самое происходит и с частицами магнитного поля, которые в состоянии "нулевых колебаний" имеют сотовую структуру т. Е. нулевое, неподвижное относительно наблюдателя состояние. Как только мы сообщим возмущение системе, соты преобразуются в вихревые локальные структуры. Теория динамической решетки эфира имеет ясный, понятный и главное - визуализированный объект изучения - эфирон. Из экспериментов ясно, что он способен менять свою структуру, масштаб, частоту вращения, направление вращения, длину, ширину..
Красиво конечно, но, пока не подтверждено экспериментально - гуманоиды больше не наливать)
Да, кстати... Вода не замерзает при +4. Никогда.
Она даже при 0 замерзает не сразу, так как происходит процесс отдачи тепла в окружающую среду с градиентом понижения температуры поверхности, пропорциональным площади поверхности и глубине водоёма. И это имеет достаточно сложную характеристику переходного процесса. Но то, что при +4С вода имеет наибольшую плотность - да.