Курсовая работа: строение воды как физического тела - гидрофизика

Содержание

Введение

1. Строение молекул воды

2. Структура воды в трех ее агрегатных состояниях

3. Разновидности воды

4. Аномальные свойства воды

5. Фазовые превращения и диаграмма состояния воды

6. Модели структуры воды и льда

7. Агрегатные виды льда

Заключение

Список литературы

Введение

Вода это самое важное вещество на Земле без которого не может существовать ни один живой организм и не могут протекать ни какие биологические, химические реакции, и технологические процессы.

Воды(оксид водорода) – это жидкость без запаха, вкуса и цвета (в толстых слоях голубоватая); Н₂О, мол. м. 18,016, простейшее устойчивое соед. водорода с кислородом.

Вода является одним из самых распространенных в природе веществ. Она покрывает около 3/4 всеи земной поверхности, составляя основу океанов, морей, озер, рек, фунтовых вод и болот. Большое количество воды находится также в атмосфере. Растения и живые организмы содержат в своем составе 50-96 % воды.

Молекулы воды обнаружены в межзвездном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников. Кол-во воды на пов-сти Земли оценивается в 1,39*10¹⁸ т, большая часть ее содержится в морях и океанах. Кол-во доступных для использования пресных вод в реках, озерах, болотах и водохранилищах составляет 2*10⁴ т. Масса ледников Антарктики, Антарктиды и высокогорных районов 2,4*10¹⁶т (общая масса распределенных по поверхности Земли снега и льда достигает примерно 2,5-3,010¹⁶т, что составляет всего лишь 0,0004% массы всей нашей планеты. Однако, такого количества достаточно, чтобы покрыть всю поверхность Земного шара 53 метровым слоем, а если бы вся эта масса вдруг растаяла, превратившись в воду, то уровень Мирового Океана поднялся бы по сравнению с нынешним примерно на 64 метра.), примерно столько же имеется подземных вод, причем только небольшая их часть - пресные. В атмосфере находится ок. 1,3*10¹³ т воды. Вода входит в состав многих минералов и горных пород (глина, гипс и др.), присутствует в почве, является обязательным компонентом всех живых организмов.

Плотность H₂O = 1 г/см3 (при 3,98 градусах), t_пл. = 0 градусов, а t_кип = 100 градусов. Теплоемкость воды составляет 4,18 Дж/(г/К) Mr (H₂O) = 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. Вода – это единственное вещество в природе, которое в земных условиях существует во всех трёх агрегатных состояниях: Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы

От воды зависит климат. Геофизики утверждают, что Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не вода. У неё очень большая теплоёмкость. Нагреваясь, она поглощает тепло; остывая, отдаёт его. Земная вода и поглощает, и возвращает очень много тепла и тем самым "выравнивает" климат. А от космического холода предохраняет Землю те молекулы воды, которые рассеяны в атмосфере – в облаках и в виде паров… без воды обойтись нельзя – это самое важное вещество на Земле.

Вода – вещество привычное и необычное. Известный советский учёный

академик И. В. Петрянов свою научно-популярную книгу о воде назвал "самое необыкновенное вещество в мире". А "Занимательная физиология", написанная доктором биологических наук Б. Ф. Сергеевым, начинается с главы о воде – "Вещество, которое создало нашу планету".

1. Строение молекулы воды

Из всех распространенных жидкостей вода — наиболее универсальный растворитель, жидкость с максимальными величинами поверхностного натяжения, диэлектрической постоянной, теплоты парообразования и наивысшей (после аммиака) теплотой плавления. В отличие от большинства веществ вода, замерзая при низком давлении, расширяется.

Эти специфические свойства воды связаны с особым строением ее молекулы. Химическая формула воды Н₂0 обманчиво проста. В молекуле воды ядра атомов водорода расположены несимметрично по отношению к ядру атома кислорода и электронам. Если атом кислорода находится в центре тетраэдра, центры масс двух атомов водорода будут в углах тетраэдра, а центры зарядов двух пар электронов займут два других угла (рис.1.1). Таким образом, четыре электрона располагаются на возможно наибольшем расстоянии как от ядра атома кислорода, так и от ядер атомов водорода, при котором они еще притягиваются ядром атома кислорода. Другие шесть электронов молекулы воды расположены так: четыре электрона находятся в положении, обеспечивающем химическую связь между ядрами атомов кислорода и водорода, а два других расположены вблизи ядра атома кислорода.

Ассиметричное расположение атомов молекулы воды обусловливает неравномерное распределение электрических зарядов в ней, что делает молекулу воды полярной. Такое строение молекулы воды обусловливает притяжение молекул воды друг к другу в результате образования между ними водородных связей. Расположение атомов водорода и кислорода, внутри образовавшихся агрегатов молекул воды сходно с расстановкой атомов кремния и кислорода в кварце. Это относится ко льду и в меньшей мере к жидкой воде, агрегаты молекул которой всегда находятся в стадии перераспределения. При охлаждении воды ее молекулы группируются в агрегаты, которые постепенно увеличиваются и становятся все более устойчивыми по мере приближения к температуре 4° С, когда вода достигает максимальной плотности. При этой температуре вода еще не имеет жесткой структуры и наряду с длинными цепочками ее молекул существует большое количество отдельных молекул воды. При дальнейшем охлаждении цепочки молекул воды растут за счет присоединения к ним свободных молекул, в результате чего плотность воды уменьшается. Когда вода превратится в лед, все ее молекулы входят в более или менее жесткую структуру в виде незамкнутых цепочек, образующих кристаллы.

Рис.1.1 Строение молекулы воды

Взаимное проникновение атомов водорода и кислорода. Ядра двух атомов водорода и две пары электронов находятся в углах тетраэдра: в центре расположено ядро атома кислорода.

Высокие величины поверхностного натяжения и теплоты парообразования воды объясняются тем, что для отделения молекулы воды от группы молекул требуется относительно большая затрата энергии. Стремление молекул воды устанавливать водородные связи и их полярность объясняют необычно высокую растворяющую способность воды. Некоторые соединения, такие, как сахара и спирты, удерживаются в растворе благодаря водородным связям. Соединения, обладающие высокой степенью ионизации вводе, например хлористый натрий, удерживаются в растворе вследствие того, что ионы с противоположными зарядами нейтрализуются группами ориентированных молекул воды.

Другая особенность молекулы воды состоит в том, что как атомы водорода, так и атомы кислорода могут иметь различные массы при одинаковом заряде ядра. Разновидности химического элемента с различными атомными весами называются изотопами этого элемента. Молекула воды обычно образуется водородом с атомным весом 1 (Н¹) и кислородом с атомным весом 16 (О¹⁶). Более 99% атомов воды относится к этим изотопам. Кроме того, существуют следующие изотопы: Н², H³, О¹⁴, О¹⁵, О¹⁷ О¹⁸, О¹⁹. Многие из них скапливаются в воде в результате ее частичного испарения и вследствие своей большой массы. Изотопы Н³, О¹⁴, О¹⁵, О¹⁹ радиоактивны. Наиболее распространен из них тритий Н³, образующийся в верхних слоях атмосферы под воздействием космических лучей. Этот изотоп накопился также в результате ядерных взрывов за последние несколько лет. На основании этих и других фактов относительно изотопов путем анализа изотопного состава воды можно частично раскрыть историю некоторых природных вод. Так, содержание тяжелых изотопов в поверхностных водах свидетельствует о длительном испарении воды, которое происходит, например, в Мертвом море, Большом Соленом озере и в других бессточных водоемах. Повышенное содержание трития в подземных водах могло бы означать, что эти воды метеорного происхождения с большой скоростью циркуляции, потому что период полураспада этого изотопа всего лишь 12,4 лет. К сожалению, изотопный анализ слишком дорог и по этой причине не может быть широко применен в исследованиях природных вод

Молекула воды H₂О построена в виде треугольника: угол между двумя связками кислород – водород 104 градуса. Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону от кислорода, электрические заряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды полярная, что является причиной особого взаимодействия между разными её молекулами.

Атомы водорода в молекуле H₂О, имея положительный частичный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул. Такая химическая связь называется водородной. Она объединяет молекулы H₂О в своеобразные полимеры пространственного строения; плоскость, в которой расположены водородные связи, перпендикулярны плоскости атомов той же молекулы H₂О. Взаимодействием между молекулами воды и объясняются в первую очередь незакономерно высокие температуры её плавления и кипения. Нужно подвести дополнительную энергию, чтобы расшатать, а затем разрушить водородные связи. И энергия эта очень значительна. Вот почему так велика теплоёмкость воды.

Как и большинство веществ, вода состоит из молекул, а последние из атомов.

Структура атома следующая: вокруг положительно заряженного протонного ядра на определенных уровнях по различным орбитам движутся отрицательно заряженные электроны, образующие электронное облако. Число электронов в каждой оболочке для атома каждого элемента строго определенное. Так, у атома водорода лишь одна оболочка с единственным электроном, а у атома кислорода две оболочки: внутренняя с двумя электронами и внешняя с шестью.

Два атома водорода замещают вакансию двух недостающих (до восьми) электронов наружной оболочки для ее устойчивости. Можно было бы предполагать, что атом кислорода и два атома водорода в молекуле воды образуют у центрального атома кислорода угол, близкий к 180°. Однако в действительности он значительно меньше - всего 104° 27' (рис.1.2), что приводит к неполной компенсации внутримолекулярных сил, избыток которых обусловливает асимметрию распределения зарядов, создающую полярность молекулы воды. Эта полярность у воды, более значительная, чем у других веществ, обусловливает ее дипольный момент и диэлектрическую проницаемость. Последняя у воды весьма велика и определяет интенсивность растворения водой различных веществ. При 0 °С диэлектрическая проницаемость воды (в твердой фазе) составляет 74,6; с повышением температуры она падает.

Так, при 20° С диэлектрическая проницаемость воды равна 81. Что это значит? Это значит, что два противоположных электрических заряда в воде взаимно притягиваются с силой, равной ~ 1/80 их взаимодействия в воздухе, и что отделение ионов от кристаллов какой-либо соли в воде в 80 раз легче, чем в воздухе.

Многочисленные схемы строения молекулы воды являются гипотетическими, построенными на косвенных наблюдениях приборами некоторых признаков поведения и свойств молекул и атомов. При этом следует помнить, что ни атомы, ни молекулы не имеют четких границ из-за неопределенности как формы, так и точных размеров орбит, по которым движутся электроны, образующие по сути дела электронное облако, зависящее от энергетического состояния электрона. Последнее может быть спокойным или возбужденным, что зависит, в частности, и от температуры. Отсюда разнобой в значениях вычисленных радиусов, а также схематичность гипотетических моделей атомов и молекул.

2. Структура воды в трех ее агрегатных состояниях

Проблема оценки структуры воды пока остается одной из самых сложных. Рассмотрим кратко две обобщенные гипотезы о структуре воды, получившие наибольшее признание, одна — в начальный период развития учения о структуре воды, другая — в настоящее время.

Согласно гипотезе, предложенной Уайтингом (1883г.) и имеющей к настоящему времени различные интерпретации, основной строительной единицей водяного пара является молекула H₂O, называемая гидроль, или моногидроль. Основной строительной единицей воды является двойная молекула воды (H₂O)₂—дигидроль; лед же состоит из тройных молекул (H₂O)₃ — тригидроль. На этих представлениях основана так называемая гидрольная теория структуры воды.

Водяной пар, согласно этой теории, состоит из собрания простейших молекул моногидроля и их ассоциаций, а также из незначительного количества молекул дигидроля.

Вода в жидком виде представляет собой смесь молекул моногидроля, дигидроля и тригидроля. Соотношение числа этих молекул в воде различно и зависит от температуры. Согласно этой гипотезе, соотношение количества молекул воды и объясняет одну из основных ее аномалий — наибольшую плотность воды при 4°С.

В табл.1.1 показан молекулярный состав воды, льда и водяного пара по различным литературным источникам.

Так как молекула воды несимметрична, то центры тяжести положительных и отрицательных зарядов ее не совпадают. Молекулы имеют два полюса — положительный и отрицательный, создающие, как магнит, молекулярные силовые поля. Такие молекулы называют полярными, или диполями, а количественную характеристику полярности определяют электрическим моментом диполя, выражаемым произведением расстояния l между электрическими центрами тяжести положительных и отрицательных зарядов молекулы на заряд e в абсолютных электростатических единицах:

Для воды дипольный момент очень высокий: p = 6,13·10^-29 Кл·м. Полярностью молекул моногидроля и объясняется образование дигидроля и тригидроля. Вместе с тем, так как собственные скорости молекул возрастают с повышением температуры, этим можно объяснить постепенный распад тригидроля в дигидроль и далее в моногидроль соответственно при таянии льда, нагревании и кипении воды.

Другая гипотеза строения воды, разрабатывавшаяся в XX веке (модели О.Я.Самойлова, Дж.Попла, Г.Н.Зацепиной и др.), основана на представлении, что лед, вода и водяной пар состоят из молекул H₂O, объединенных в группы с помощью так называемых водородных связей (Дж.Бернал и Р.Фаулер, 1933г.). Эти связи возникают в результате взаимодействия атомов водорода одной молекулы с атомом кислорода соседней молекулы (с сильно электроотрицательным элементом). Такая особенность водородного обмена в молекуле воды обусловливается тем, что, отдавая свой единственный электрон на образование ковалентной связи с кислородом (см. рис.1.3), он остается в виде ядра, почти лишенного электронной оболочки. Поэтому атом водорода не испытывает отталкивания от электронной оболочки кислорода соседней молекулы воды, а, наоборот, притягивается ею, и может вступить с нею во взаимодействие. Согласно изложенному, можно предположить, что силы, образующие водородную связь, являются чисто электростатическими. Однако, согласно методу молекулярных орбиталей, водородная связь образуется за счет дисперсионных сил, ковалентной связи и электростатического взаимодействия.

Таблица 1.1

Молекулярный состав льда, воды и водяного пара, %

Таким образом, в результате взаимодействия атомов водорода одной молекулы воды с отрицательными зарядами кислорода другой молекулы образуются четыре водородные связи для каждой молекулы воды. При этом молекулы, как правило, объединяются в группы — ассоциаты: каждая молекула оказывается окруженной четырьмя другими (рис. 1.3). Такая плотная упаковка молекул характерна для воды в замерзшем состоянии (лед Ih) и приводит к открытой кристаллической структуре, принадлежащей к гексогональной симметрии. При этой структуре образуются «пустоты — каналы» между фиксированными молекулами, поэтому плотность льда меньше плотности воды.

Повышение температуры льда до его плавления и выше приводит к разрыву водородных связей. При жидком состоянии воды достаточно даже обычных тепловых движений молекул, чтобы эти связи разрушить.

Рис.2 Схема взаимодействия молекул воды

1 — кислород, 2 — водород, 3 — химическая связь, 4 — водородная связь.

Считается, что при повышении температуры воды до 4°С упорядоченность расположения молекул по кристаллическому типу с характерной структурой для льда до некоторой степени сохраняется. Имеющиеся в этой структуре отмеченные выше пустоты заполняются освободившимися молекулами воды. Вследствие этого плотность жидкости увеличивается до максимальной при температуре 3,98°С. Дальнейший рост температуры приводит к искажению и разрыву водородных связей, а, следовательно, и разрушению групп молекул, вплоть до отдельных молекул, что характерно для пара.

3. Разновидности воды

На Земле содержится около 1500 млн. км3 воды. Причем доля пресной воды составляет всего 10% от общего количества. А если учесть то факт, что большая часть пресной воды содержится не на поверхности земли, а в земной коре, можно сделать вывод о том, что доля относительно доступной пресной воды очень и очень ограничена. В зависимости от типа залегания, свойств и химического состава вся вода на Земле подразделяется на множество видов:

- соленая вода - безусловно, главным хранилищем соленой воды на Земле является Мировой океан. Мировой океан поистине огромен, если говорить языком цифр, то Мировой океан - это: 97% всей воды на планете; 74% всей площади Земли и около 1,35 млрд. км3 объема;

Ионные вещества, содержащиеся в морской воде в концентрации выше 0,001 г/кг (1 млн.д.) по весу:

Вещество - Содержание, г/кг морской воды

Хлорид-ион C1- - 19,35

Ион натрия Na + - 10,76

Сульфат-ион SO4 2- - 2,71

Ион магния Mg2 + - 1,29

Ион кальция Са2 + - 0,412

Ион калия К + - 0,40

Диоксид углерода - 0,106

Бромид-ион Вr- - 0,067

Борная кислота - 0,027

Ион стронция Sr2 + - 0,0079

Фторид-ион F- - 0,001

Морскую воду часто называют соленой. Под соленостью морской воды понимают массу (в граммах) сухих солей в 1 кг морской воды. В пределах мирового океана соленость колеблется от 33 до 37, в среднем ее можно считать равной 35. Это означает, что в морской воде содержится приблизительно 3,5% растворенных солей. Перечень элементов, содержащихся в морской воде, очень велик, однако концентрация большинства из них очень низка. В таблице указаны 11 ионных частиц, присутствующих в морской воде в концентрациях, превышающих 0,001 г/кг, т.е. 1 миллионную долю (млн. д.) по весу. Среди веществ, содержащихся в морской воде в несколько меньших, концентрациях (от 1 млн. д. до 0,01 млн. д.), имеются элементы азот, литий, рубидий, фосфор, йод, железо, цинк и молибден. В морской воде обнаружено не менее 50 других элементов в еще более низких концентрациях;

- пресная вода - пресная вода распределяется на Земле следующим образом: около 2% всей пресной воды сосредоточено в ледниках и полярных льдах; около 7% пресной воды находится в озерах и реках и около 0,5% в грунтовых водах;

Пресная воды в свою очередь делится на следующие виды:

- дистиллированная вода - так называют воду, химический показатель которой близок к чистому Н2О. Природной дистиллированной воды не существует, она производится в специальных дистилляторах методом выпаривания пресной воды с последующей конденсацией. Используется она в основном для медицинских или исследовательских целей. Ее производят в специальных дистилляторах путем выпаривания обычной пресной воды с последующей конденсацией пара - дистилляцией. При этом все присутствующие в воде примеси остаются в выпаренном остатке. Этот процесс основан на принципе, что вода представляет собой летучее вещество, а соли являются нелетучими веществами. Также поступают с морской водой, чтобы избавить ее от солей и минеральных включений. В тропических зонах солнечным теплом нагревают воду в мелких лотках (парниковый эффект), после чего происходит конденсация водяного пара. Идеальное место для размещения подобных установок—прибрежные тропические районы, соседствующие с засушливыми землями, которым предельно необходима вода. Конструкция опреснительных установок должна быть хорошо продумана, с тем чтобы в ней предусматривалось вторичное использование тепла, выделяющегося при конденсации паров. Стоимость опреснения морской воды по методу дистилляции не превышает 1 доллара за 4000 л;

- минеральная вода - так называют воду с повышенным содержанием минеральных компонентов. Минеральная вода образуется в результате обогащения подземных вод целебными минералами. Существует несколько видов минеральных вод: лечебно-столовые (минерализация 2-6 г/л), столовые (минерализация 1-2 г/л) и лечебные (минерализация от 6 г/л);

- искусственная вода – так обозначаются пресные воды, изготовленные с помощью технологических методов с целью имитации химического состава природных минеральных или других вод. Искусственные минеральные воды получают добавлением в обычную или дистиллированную воду химических компонентов (солей магния, калия, натрия, иода и др.), присутствующих в натуральных минеральных водах в таких же процентных концентрациях. Примером таких вод служат искусственно минерализованные воды известных производителей “Боржоми”, ”Нарзан” и ”Ессентуки” с тем отличием, что на бутылках стоит надпись “Искусственно минерализованная вода”. Опресненную морскую воду, которую в широких масштабах производят Арабские Эмираты, богатые нефтью, но бедные пресной водой, тоже можно считать искусственной, как и тяжелую воду, получаемую для исследований в области ядерной физики;

- "Живая" и "Мертвая вода" - так называют воду, произведенную с помощью электролиза обычной воды. "Живая" и "Мертвая" воды обладают рядом полезных свойств, помогающих бороться с различными болезнями;

- колодезные воды - так называются подпочвенные воды, которые извлекаются на поверхность с помощью колодцев. В принципе, сюда же можно отнести и воду из артезианских скважин, с той лишь разницей, что вода из артезианских скважин добывается из гораздо более глубоких слоев почв, чем колодезная. Они очень уязвимы с точки зрения загрязнений: все, что попадает в почву — нитраты, нитриты, ПАВ, пестициды и тяжелые металлы, — может оказаться в колодезной воде;

- вода из артезианских источников – это воды глубокого залегания, которые лучше защищены от различных промышленных и бактериальных загрязнений. Для бурения используются специальные установки, затем в скважину опускают стальные трубы, погружают мощный насос, через который выводится на поверхность трубопровод. Существуют два водоносных горизонта: песчаный залегает на глубине 15— 40 м и отделен от верхнего слоя почвы глинистыми пластами, которые и защищают его от загрязнений, а на глубине 30—230 м и более находятся известняковые водоносные слои, так называемые артезианские. Состав артезианских вод зависит от глубины их залегания. Такая вода может иметь повышенную жесткость и содержать бактерии и органические вещества. Кроме того, из-за плохого соединения труб в скважинах в артезианскую воду могут просачиваться загрязнения из более высоких водоносных слоев. Обычно эту воду необходимо фильтровать и очищать, что осуществляется с помощью очистных систем промышленного и бытового назначения;

- родниковая вода - родником или ключом обозначается небольшой водный поток, бьющий непосредственно из земных недр. Некоторые российские реки и водоёмы порождаются именно такими подземными источниками. Родниковая вода берется в том самом месте, откуда она поступает из-под земли. Вода может быть пресной или минерализованной. В первом случае мы говорим о родниках и ключах, а во втором — об источнике минеральных вод;

- геотермальная - так называют воду, выделяющуюся из недр Земли с температурой выше 20°С. В большинстве случаев они имеют температуру от 40 до 100°С. Наибольшая температура поступающей к земной поверхности геотермальной воды может достигать 300°С, а температура пара доходить до 600°С; геотермальные воды с температурой 20—40°С используют для лечебных целей, а с температурой 40—60°С — для выращивания растений в парниках;

- сточные воды - подразделяются на два вида: первые поступают из городских квартир, вторые - с различных промышленных предприятий. Несмотря на постоянно совершенствующиеся способы очистки, повторное применение сточных вод на сегодняшний день не представляется возможным.

Разновидности воды отличаются сочетанием образующих их изотопов водорода и кислорода, которых (естественных) известно по три каждого

Изотопы водорода: легкий, тяжелый и сверхтяжелый. Легкий — протий (ядро - один протон) составляет большую часть водорода обычной воды. Тяжелый (D) — дейтерий (ядро — протон и нейтрон). Его в обычной воде мало. Сверхтяжелый (Т) — тритий (ядро — протон и два нейтрона). Его вообще очень мало. Тритий радиоактивен, период полураспада больше 12 лет. Он непрерывно образуется в стратосфере под действием космического излучения. Трития на всем земном шаре меньше одного килограмма, но его можно обнаружить в любой капле воды. Предполагают, что может существовать и четвертый, и пятый изотоп водорода.

Строение трех изотопов водорода очень напоминает строение одной, двух и трех элементной вибраторной антенны. Протий - это, скорее всего, антенна, состоящая из одного активного вибратора, дейтерий, возможно, антенна, состоящая из одного активного и одного пассивного вибратора, который в антенной технике называют экраном и располагают позади активного. Тритий, возможно, активный вибратор с двумя пассивными, один из них служит экраном, а второй - директором и располагается впереди активного вибратора. Масса активного и пассивного вибратора практически одинакова, что справедливо и для массы протона и нейтрона. Наличие пассивных вибраторов позволяет увеличить коэффициент усиления антенны, т. е. дальность ее действия, что применительно к химическим взаимодействиям может означать повышение активности химического элемента, что и наблюдается у дейтерия и трития. Если все это так, то аналогом протона является активный вибратор, а аналогом нейтронов - пассивные. Отличие нейтрона от протона состоит в том, что протон имеет заряд, а нейтрон заряда не имеет, что также хорошо согласуется с активным и пассивным вибратором.

Изотопы кислорода: легкий (его больше всего), средний (его совсем мало) и тяжелый (его также мало). Искусственно созданы и другие радиоактивные изотопы кислорода, которые живут очень недолго.

Молекула воды может быть образована сочетаниями различных изотопов водорода и кислорода. Поэтому существует очень много разных вод, но некоторые из них неустойчивы. Нет только обыкновенной воды, так как вся вода разная - «необыкновенная».

Легкая вода — это вода, образованная самым легким изотопом водорода и самым легким изотопом кислорода, но в чистом виде в природе такой воды (совокупности большого количества таким молекул без примеси других) нет. Она в небольших количествах существует только в нескольких лабораториях мира.

Тяжелая вода, образованная только тяжелыми изотопами водорода и кислорода, в природе также отсутствует. Однако при использовании тяжелой воды в качестве энергетического топлива из одного литра обычной воды можно добыть больше энергии, чем ее можно получить из ста килограмм высококачественного угля. Атомы тяжелой воды являются радиоактивными («мечеными») атомами и благодаря этому можно проследить путь (траекторию движения) любого вещества (везде и во всем, включая организм человека), в состав которого они входят.

Полутяжелая вода, в одной молекуле которой смешаны разные изотопы водорода, есть в любой природной воде, но получить ее в чистом виде невозможно, так как в ней постоянно протекают реакции изотопного обмена. Атомы изотопов водорода очень подвижны и непрерывно переходят из одной молекулы воды в другую.

Радиоактивная (тритиевая) вода, в состав молекулы которой входит тритий, выпадает на Землю вместе с осадками, но ее очень мало, а в океанской воде ее еще меньше. Эта вода очень опасна и пока нужна только ученым.

«Нулевая» вода состоит из чистого легкого водорода и кислорода воздуха. Эту воду физики и химики приняли за эталон, она имеет очень постоянный состав.

Тяжеловодородная вода, в состав молекул которой входит дейтерий, в ядерной технике называется тяжелой водой.

Тяжелокислородная вода, в которой тяжелой является молекула кислорода, может быть получена из природной воды, но получить ее очень сложно и трудно. Она нужна для исследований многих биологических и химических процессов.

Реальная вода - это смесь многих вод.

Вода из водопроводного крана, которую берут из рек и водохранилищ, содержит в небольших количествах и тяжеловодородную и тяжелокислородную воду. Во льду больших ледников Кавказа тяжелой воды больше, чем в речной воде, а тяжелокислородной столько же, но в воде ручейков, бегущих по ледникам Кавказа, тяжеловодородной меньше, а тяжелокислородной больше, чем в речной. При испарении вода обогащается легким водородом, и поэтому дождевая вода отличается от воды водоемов. При замерзании уменьшается содержание тяжелого водорода, но повышается содержание тяжелого кислорода. Поэтому вода растаявшего льда отличается от той воды, из которой он был получен.

Классификация воды по источникам

Таблица 3

Распределение вод на земном шаре (единица измерения — миллион кубических километров)

Подземные воды глубокого залегания расположены в десятках-сотнях метрах от поверхности земли, они пропитывают пористые горные породы, а также образуют гигантские подземные бассейны, окруженные водонепроницаемыми слоями. Вода в таких подземных резервуарах находится под давлением.

Другой тип подземных вод поверхностные, расположенные в почве и верхних слоях земной поверхности на глубине нескольких метров. По сравнению с водами глубокого залегания у них есть один недостаток и одно преимущество. Недостаток: эти воды гораздо активнее контактируют с поверхностью земли и поэтому они слабее защищены от загрязнений, чем воды глубокого залегания. Преимущество этих вод заключается в том, что они более доступны и легко накапливаются в колодцах и поверхностных резервуарах.

Следующий по величине массив пресных вод (20—30 млн. км3) сосредоточен в ледниках Антарктиды, Гренландии и островов Северного Ледовитого океана.

Пресную воду из атмосферы (около 13 тыс. км3) мы получаем в виде осадков — дождя и снега.

Мировой океан содержит большие запасы воды, которая может быть опреснена различными физико-химическими методами.

Основной запас пресной воды, употребляемой человеком, сосредоточен в озерах и реках. Одно из крупнейших российских озерных хранилищ воды — озеро Байкал содержит около 20 тыс. км3 воды. На сегодняшний день байкальская вода считается самой чистой в мире; она характеризуется следующими параметрами: содержание (в мкг/л) свинца — 0,7 (ПДК = 10), кадмия — 0,02 (ПДК = 1), ртути — 0,1 (ПДК = 1), мышьяка - 0,3 (ПДК = 10).

Другой источник воды – живые организмы. В растениях и животных, состоящих на две трети из воды, содержится 6 тыс. км3 воды. Человеческий организм находится в состоянии непрерывного водного обмена с окружающей средой: он выделяет воду в виде пота и мочи и ежедневно восполняет водные потери пресной водой. Если нет возможности напиться, то вода теряется с потом и с выдыхаемым воздухом, и в результате наступает угроза обезвоживания (дегидратации) организма. На первой стадии учащается пульс, возникает слабость, затем — головокружение и одышка. При обезвоживании, составляющем 10% от массы тела, происходят нарушение речи, зрения и слуха и потеря сознания. Гибель организма наступает от необратимых изменений в нервной и сердечно-сосудистой системах при водопотере 15—25% от массы тела (в зависимости от температуры окружающей среды).

Классификация воды по физическим свойствам

Природную воду исходя из ее физических свойств можно разделить на ряд групп по различным признакам, например,

По температуре:

• Холодные

Переохлажденные………………………. Менее 0 °С

очень холодные ………………………….0-10 °С

холодные………………………………….10-20 °С

• Низкотермальные

Теплые…………………………………….20-37 °С

Горячие…………………………………...37-50 °С

• Высокотермальные

очень горячие…………………………….50-100 °С

перегретые………………………………..более 100 °С, до критической температуры

По местонахождению:

• Атмосфера………………………….Метеорные

• Океаны, моря, озера, реки………...Поверхностные

• Земные недра……………………….Подземные

По различным видам состояния воды в горных породах (для подземных вод) :

• Парообразная (в незаполненных пустотах и порах пород), очень подвижна, может конденсироваться.

• Гигроскопическая, обволакивающая тончайшей пленкой частицы породы, прочно удерживается молекулярными и электрическими силами.

• Пленочная, также обволакивающая частицы породы, но более толстой пленкой; может передвигаться, но не подчиняется силе тяжести (гравитации).

• Гравитационная, или свободная, подчиняющаяся силе тяжести и передающая гидростатическое давление. Частный случай этой воды - капиллярная, которая может подниматься вопреки гравитации, например в легких глинах на высоту до 12 м, правда, за весьма длительный срок (около года).

• В форме льда, заполняющего трещины в породах или залегающего в форме пластов.

4. Аномальные свойства воды

Аномальные свойства воды были открыты учеными в результате длительных и трудоемких исследований. Эти свойства столь привычны и естественны в обыденной нашей жизни, что обычный человек даже не подозревает об их существовании. А вместе с тем вода - вечная спутница жизни на Земле действительно оригинальна и неповторима.

Как хорошо известно, вода принята за образец меры – эталон для всех других веществ. Казалось бы, за эталон для физических констант следовало бы выбрать такое вещество, которое ведет себя самым нормальным, обычным образом. А получилось как раз наоборот.

И первое, самое поразительное, свойство воды заключается в том, что вода принадлежит к единственному веществу на нашей планете, которое в обычных условиях температуры и давления может находиться в трех фазах, или трех агрегатных состояниях: в твердом (лед), жидком и газообразном (невидимый глазу пар).

Итак, главные аномалии воды:

1.Плотность дистиллированной воды при увеличении температуры от 0 до 100°С имеет максимум (при температуре 4°С), в то время как у других жидкостей она постоянно уменьшается. В соответствии с плотностью при температуре от 0 до 4°С объем воды уменьшается, а затем, при повышении температуры, увеличивается. При замерзании вода расширяется, а не сжимается, как все другие жидкости. Плотность льда при 0°С примерно на 10% меньше плотности воды при этой температуре.

Примечание. Если бы 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 глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотности вода достигает при 4°С, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается не поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.

2.Температура замерзания воды с увеличением давления понижается, а не повышается, как это следовало бы ожидать.

Примечание. Этой аномалией можно объяснить существование жидкой воды на больших глубинах в морях при температуре, значительно ниже 0°С.

3.Температура замерзания (0°С) и кипения (100°С) дистиллированной воды аномальна по сравнению с температурой гидридов, входящих в одну с кислородом группу Периодической системы Д.И.Менделеева: серы — H₂S, селена — H₂Se, теллура — H₂Te (замерзание при - 90°С, а кипение при - 70°С). Вода при нормальном давлении кипит при температуре +100⁰С, а замерзает при 0⁰С — это известно всем. Но согласно ее расположению в Периодической таблице Менделеева она должна кипеть при -80⁰... -90⁰С, а замерзать при -100⁰С. Отклонение от «нормы» объясняют необычно сильным взаимодействием между собой ее молекул (кроме воды подобными аномальными свойствами, но в меньшей мере обладают аммиак и фтористый водород). Нормальным состоянием воды, исходя из имеющихся на Земле условий, должно быть газообразное состояние.

Исходя из теории антенн, аномальную температуру кипения и замерзания воды можно объяснить и тем, что она за счет высокой «направленности» своих антенн увеличивает прочность внутренних связей, поэтому для их разрыва требуется большая энергия.

4.Удельная теплоемкость воды (4,18 Дж/(гК)) в 5 — 10 раз больше удельной теплоемкости других природных веществ. Укажем для сравнения значения удельной теплоемкости некоторых веществ (Дж/(гК)): песок 0,79; известняк 0,88; хлорид натрия 0,88; глицерин 2,43; этиловый спирт 2,85. Лишь у немногих веществ (литий, древесина) она несколько приближается к удельной теплоемкости воды.

Примечание. Благодаря высокой теплоемкости вода является мощнейшим энергоносителем на нашей планете. Поэтому в ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким образом, регулятором температуры на земном шаре.

5.Удельная теплоемкость воды уменьшается при повышении температуры, тогда как у других веществ (кроме ртути) она увеличивается. При этом уменьшение удельной теплоемкости воды происходит при температуре от 0 до 37°С, а затем она увеличивается (у ртути она непрерывно уменьшается).

6.Удельная теплота плавления льда необыкновенно высокая и в среднем равна 333·10³ Дж/кг. Вода и лед при 0°С различаются между собой по содержанию скрытой энергии на 333·10³ Дж. С понижением температуры удельная теплота плавления не увеличивается, а уменьшается примерно на 2,1 Дж на 1°С.

Примечание. При плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, следовательно, давление понижает температуру плавления льда. Это вытекает из принципа Ле Шателье. Действительно, пусть лед и жидкая вода находятся в равновесии при 0°С. При увеличении давления равновесие, согласно принципу Ле Шателье, сместится в сторону образования той фазы, которая при той же температуре занимает меньший объем. Этой фазой является в данном случае жидкость. Таким образом, возрастание давления при 0°С вызывает превращение льда в жидкость, а это и означает, что температура плавления льда снижается.

7.Вязкость воды с ростом давления уменьшается, а не увеличивается, как следовало бы ожидать по аналогии с другими жидкостями. Водородные связи в жидкой воде непрерывно образуются и рвутся, причем эти процессы протекают кооперативно в пределах короткоживущих групп молекул воды, названных “мерцающими кластерами”. Их время жизни оценивают в диапазоне от 10^-10 до 10^-11 с. Такое представление правдоподобно объясняет высокую степень подвижности жидкой воды и ее низкую вязкость

8.Диэлектрическая проницаемость ε у воды чрезвычайно велика и равна 81 (у льда при t = -5°С ε_л = 73), тогда как у большинства других веществ она составляет 2—8 и лишь у некоторых достигает 27—35 (спирты).

Примечание. Вследствие этого вода обладает большей растворяющей и диссоциирующей способностью, чем другие жидкости.

9.Коэффициент преломления света водой n = 1,333 для длины волны λ=580 нм и при t = 20°С, вместо требуемого теорией значения

10.Удельная теплоемкость водяного пара до температуры t = 500°C отрицательна, т. е. пар при сжатии остается прозрачным, а при разрежении превращается в туман (сгущается).

11.Удельная теплота парообразования воды при понижении температуры увеличивается, достигая при 0°С очень высокого значения (25,0·10⁵ Дж/кг).

12.Вода обладает самым высоким поверхностным натяжением среди жидкостей (0,0727 H/м при 20°С), за исключением ртути (0,465 H/м).

Может ли вода течь вверх? Вода может подниматься вверх на очень большую высоту по очень тоненьким трубочкам — капиллярам («туннелям»), смачивая их стенки.

Жидкость, смачивающая стенки капилляров, например, вода в стеклянной трубке образует вогнутый мениск, а несмачивающая, например, ртуть в той же трубке - выпуклый мениск.

Смачивающие свойства воды проявляются при подъеме грунтовых вод из толщи земли, и при питании растений, и при движении по порам промокательной бумаги или по тряпочке, опущенной в сосуд с водой. Эта объясняется ее повышенным (по сравнению с другими жидкостями) поверхностным натяжением. Каждая молекула на поверхности втягивается во внутрь жидкости. В результате возникает сила, стягивающая поверхность жидкости.

Сила поверхностного натяжения поддерживает бегающих по поверхности воды насекомых, лапки которых водой не смачиваются. Эта сила придает мыльному пузырю, падающей капле, и любому количеству жидкости в условиях невесомости форму шара. Она же поднимает воду в почве и по любым капиллярам, стенки которых, наоборот, хорошо смачиваются водой.

Гипотеза 5.10: Незамерзание воды в бутылках, помещенных внутрь пирамиды Голода, при обычных минусовых температурах является следствием вовлечения содержащихся в воде солей в мощное направленное вихревое движение, создаваемое сконцентрированными в пирамиде полями, и (или) выпадения их в осадок. Первое, как и быстрое течение реки, а второе из-за большей чистоты воды препятствует ее замерзанию. Быстрое замерзание воды после встряхивания бутылки является следствием нарушения упорядоченного вихревого движения (уменьшения вследствие этого его скорости) и (или) «загрязнения» воды выпавшими ранее солями, что перемещает точку замерзания воды в область более высоких температур, соизмеримых с температурой в пирамиде.

Как льется и капает вода в воду ? Если посмотреть на конец очень тонкой водяной струи то можно наблюдать, что на поверхности струи возникают волнообразные упругие усиливающиеся колебания. Затем образуется тонкая перетяжка, которая разрывается. Утолщение струи, находящееся перед перетяжкой, превращается в каплю, а то, что было перетяжкой, оттягивается и становится маленькой капелькой. Под действием поверхностного натяжения капля колеблется (дышит), то вытягивается, то, снова расширясь, сплющивается. Ее колебания помогли физикам разгадать тайну атомного ядра, которое по некоторым своим свойствам аналогично капле воды.

Наблюдения за каплей воды дают весьма интересную информацию. Например, капля воды, упавшая в спокойную воду, превращается в вихревое кольцо. Это кольцо сверху сначала напоминает замкнутый контур, в котором «бьется» стоячая волна. Затем оно расширяется, в нем возникают утолщения, которые развиваются во вторичные вихревые колечки. Процесс повторяется, число колечек растет. И капля превращается в сложную систему вихревых потоков. При этом образуются самые разные геометрические формы. Разные формы вода образует не только при своем падении в воду. Она, как известно, и «камень точит», деформируя своим потоком грунт и создавая себе русло которое, углубляясь, постепенно меняет форму дна от узкого конусообразного (вверху) до почти плоского (внизу), плавно переходя через многие другие формы.

«Понять природу этих аномалий более чем важно, - говорит стэнфордский физик Андерс Нильсон, под руководством которого недавно завершилось еще одно интересное исследование, посвященное «странностям» воды, - ведь вода – обязательная основа нашего собственного существования: нет воды – нет жизни. Наша работа позволяет объяснить эти аномалии на молекулярном уровне, при температурах, подходящих для жизни».

5. Фазовые превращения и диаграмма состояния воды

Диаграмма состояния (или фазовая диаграмма) представляет собой графическое изображение зависимости между величинами, характеризующими состояние системы, и фазовыми превращениями в системе (переход из твердого состояния в жидкое, из жидкого в газообразной и т. д.). Диаграммы состояния широко применяются в химии. Для однокомпонентных систем обычно используются диаграммы состояния, показывающие зависимость фазовых превращений от температуры и давления, они называются диаграммами состояния в координатах Р---Т

На рисунке 5 приведена в схематической форме диаграмма состояния воды. Любой точке на диаграмме отвечают определенные значения температуры и давления.

В жидком состоянии – вода

 Твёрдом – лёд

 Газообразном – пар

Рис.5.1

Диаграмма показывает те состояния воды, которые термодинамически устойчивы при определенных значениях температуры и давления. Она состоит из трех кривых, разграничивающих все возможные температуры и давления на три области, отвечающие льду, жидкости и пару.

лед = пар (кривая ОА)

лед = жидкость (кривая ОВ)

жидкость = пар (кривая ОС)

О – точка замерзания воды

Для воды критическая температура равна 374 градусов по цельсию. При нормальном давлении жидкая и парообразная фазы воды находятся между собой в равновесии при 100 градусов по цельсию, т.к. при этом давление пара над жидкостью сравнивается с внешним давлением и вода закипает. Пересечение трех кривых происходит в точке О – тройной точке, в которой все три фазы находятся между собой в равновесии.

Рассмотрим каждую из кривых более подробно. Начнем с кривой ОА, отделяющей область пара от области жидкого состояния. Представим себе цилиндр, из которого удален воздух, после чего в него введено некоторое количество чистой, свободной от растворенных веществ, в том числе от газов, воды; цилиндр снабжен поршнем, который закреплен в некотором положении. Через некоторое время часть воды испарится, и над ее поверхностью будет находиться насыщенный пар. Можно измерить его давление и убедиться в том, что оно не изменяется с течением времени и не зависит от положения поршня. Если увеличить температуру всей системы и вновь измерить давление насыщенного пара, то окажется, что оно возросло. Повторяя такие измерения при различных температурах, найдем зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры. Кривая ОА представ-ляет собой график этой зависимости: точки кривой показывают те пары значений температуры и давления, при которых жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии друг с другом -- сосуществуют. Кривая ОА называется кривой равновесия жидкость--пар или кривой кипения. В таблице 5 приведены значения давления насыщенного водяного пара при нескольких температурах.

Молекулярная физика воды в трех ее агрегатных состояниях

Рис.5.2 Диаграмма агрегатных состояний воды в области тройной точки А. I — лед. II — вода. III — водяной пар.

Вода встречается в природных условиях в трех состояниях: твердом — в виде льда и снега, жидком — в виде собственно воды, газообразном — в виде водяного пара. Эти состояния воды называют агрегатными состояниями, или же соответственно твердой, жидкой и парообразной фазами. Переход воды из одной фазы в другую обусловлен изменением ее температуры и давления. На рис. приведена диаграмма агрегатных состояний воды в зависимости от температуры t и давления P. Из рис.5.2 видно, что в области I вода находится только в твердом виде, в области II — только в жидком, в области III — только в виде водяного пара. Вдоль кривой AC она находится в состоянии равновесия между твердой и жидкой фазами (плавление льда и кристаллизация воды); вдоль кривой AB — в состоянии равновесия между жидкой и газообразной фазами (испарение воды и конденсация пара); вдоль кривой AD — в равновесии между твердой и газообразной фазами (сублимация водяного пара и возгонка льда).

Равновесие фаз по рис.5.2 вдоль кривых AB, АС и AD надо понимать как динамическое равновесие, т. е. вдоль этих кривых число вновь образующихся молекул одной фазы строго равно числу вновь образующихся молекул другой фазы.

Если, например, постепенно охлаждать воду при любом давлении, то в пределе окажемся на кривой AC, где будет наблюдаться вода при соответствующих температуре и давлении. Если постепенно нагревать лед при различном давлении, то окажемся на той же кривой равновесия АС, но со стороны льда. Аналогично будем иметь воду и водяной пар, в зависимости от того, с какой стороны будем подходить к кривой AB.

Все три кривые агрегатного состояния — АС (кривая зависимости температуры плавления льда от давления), АВ (кривая зависимости температуры кипения воды от давления), AD (кривая зависимости давления пара твердой фазы от температуры) — пересекаются в одной точке A, носящей название тройной точки. По современным исследованиям, значения давления насыщающих паров и температуры в этой точке соответственно равны: P = 610,6 Па (или 6,1 гПа = 4,58 мм рт. ст.), t = 0,01°C (или T = 273,16 К). Кроме тройной точки, кривая АВ проходит еще через две характерные точки — точку, соответствующую кипению воды при нормальном давлении воздуха с координатами P = 1,013·10⁵ Па и t = 100°C, и точку с координатами P = 2,211·10⁷ Па и t_кр = 374,2°C, соответствующими критической температуре — температуре, только ниже которой водяной пар можно перевести в жидкое состояние путем сжатия.

Кривые АС, АВ, AD относящиеся к процессам перехода вещества из одной фазы в другую, описываются уравнением Клапейрона—Клаузиуса:

(1.1)

где T — абсолютная температура, отвечающая для каждой кривой соответственно температуре испарения, плавления, сублимации и т. д.; L — удельная теплота соответственно испарения, плавления, сублимации; V₂ – V₁ — разность удельных объемов соответственно при переходе от воды ко льду, от водяного пара к воде, от водяного пара ко льду. Подробное решение этого уравнения относительно давления насыщенного водяного пара e₀ над поверхностью воды — кривая AB и льда — кривая AD, можно найти в курсе общей метеорологии.

Непосредственный опыт показывает, что природные воды суши при нормальном атмосферном давлении переохлаждаются (кривая AF) до некоторых отрицательных значений температуры не кристаллизуясь. Таким образом, вода обладает свойством переохлаждаться, т.е. принимать температуру ниже точки плавления льда. Переохлажденное состояние воды является состоянием метастабильным (неустойчивым), в котором начавшийся в какой-либо точке переход жидкой фазы в твердую продолжается непрерывно, пока не будет ликвидировано переохлаждение или пока не превратится в твердое тело вся жидкость. Способность воды принимать температуру ниже точки плавления льда была обнаружена впервые Фаренгейтом еще в 1724 г.

Таким образом, ледовые кристаллы могут возникать только в переохлажденной воде. Переход переохлажденной воды в твердое состояние – лед, происходит только при наличии в ней центров (ядер) кристаллизации, в качестве которых могут выступать взвешенные частицы наносов, находящиеся в воде, кристаллики льда или снега, поступающие в воду из атмосферы, кристаллики льда, образующиеся в переохлажденной воде в результате ее турбулентного поступательного движения, частицы других веществ, присутствующих в водной толще.

Рис.5.3 Фазовая диаграмма воды.

Ih, II — IX — формы льда; 1 — 8 — тройные точки.

Переохлаждение воды – термодинамическое состояние, при котором температура воды оказывается ниже температуры ее кристаллизации. Возникает это состояние в результате понижения температуры воды или же повышения температуры ее кристаллизации. Температура воды может быть понижена отводом тепла, что наиболее часто встречается в природе, или смешением ее с соленой, например морской, водой. Температура кристаллизации может быть повышена путем понижения давления.

Таким образом, диаграмму агрегатных состояний воды — сплошная линия AD на рис.5.3— следует рассматривать как относящуюся к очень малым тепловым нагрузкам, когда влияние времени на преобразование фазы мало. При больших тепловых нагрузках процесс фазовых преобразований будет происходить согласно штриховой кривой AF.

Температура плавления льда (кривая AC) очень слабо зависит от давления. Практически кривая AC параллельна горизонтальной оси: при изменении давления от 610,6 до 1,013·10⁵ Па температура плавления уменьшается всего лишь от 0,01 до 0°С. Однако эта температура понижается с увеличением давления только до определенного значения, затем она повышается и при очень высоком давлении достигает значения порядка 450°С (рис.5.3) Как следует из рис., при высоком давлении лед может находиться и при положительной температуре. Насчитывают до десяти различных форм льда. Форма льда Ih, для которой характерно понижение температуры плавления с увеличением давления, соответствует обычному льду, образующемуся вследствие замерзания воды при нормальных условиях. Структура и физические свойства всех форм льда существенно отличаются от льда Ih.

Твердое тело (лед), как и жидкость, испаряется в широком диапазоне значений температуры и непосредственно переходит в газообразное состояние (возгонка), минуя жидкую фазу, — кривая AD. Обратный процесс, т. е. переход газообразной формы непосредственно в твердую (сублимация), осуществляется, также минуя жидкую фазу. Возгонка и сублимация льда и снега играют большую роль в природе.

Современная модель воды

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.

Одна из первых моделей воды – модель Фрэка и Уэна [Frank & Wen, 1957]. В соответствии с ней водородные связи в жидкой воде непрерывно образуются и рвутся, причем эти процессы протекают кооперативно в пределах короткоживущих групп молекул воды, названных “мерцающими кластерами”. Их время жизни оценивают в диапазоне от 10^-10 до 10^-11 с. Такое представление правдоподобно объясняет высокую степень подвижности жидкой воды и ее низкую вязкость. Считается, что благодаря таким свойствам вода служит одним из самых универсальных растворителей.

Однако модель “мерцающих кластеров” не может объяснить множество уже давно известных фактов, и тех, что стали стремительно нарастать в последнее время.

Но во второй половине XX века возникли две группы „смешанных“ моделей: кластерные и клатратные. В первой группе вода представала в виде кластеров из молекул, связанных водородными связями, которые плавали в море молекул, в таких связях не участвующих. Модели второй группы рассматривали воду как непрерывную сетку (обычно в этом контексте называемую каркасом) водородных связей, которая содержит пустоты; в них размещаются молекулы, не образующие связей с молекулами каркаса. Нетрудно было подобрать такие свойства и концентрации двух микрофаз кластерных моделей или свойства каркаса и степень заполнения его пустот клатратных моделей, чтобы объяснить все свойства воды, в том числе и знаменитые аномалии.

Среди кластерных моделей наиболее яркой оказалась модель Г. Немети и Х. Шераги: предложенные ими картинки, изображающие кластеры связанных молекул, которые плавают в море несвязанных молекул, вошли во множество монографий.

Модель клатратного типа предложил О.Я. Самойлов в 1946 году: в воде сохраняется подобная гексагональному льду сетка водородных связей, полости которой частично заполнены мономерными молекулами. Л. Полинг в 1959 году создал другой вариант, предположив, что основой структуры может служить сетка связей, присущая некоторым кристаллогидратам.

В течение второй половины 60-х годов и начала 70-х наблюдается сближение всех этих взглядов. Появлялись варианты кластерных моделей, в которых в обеих микрофазах молекулы соединены водородными связями. Сторонники клатратных моделей стали допускать образование водородных связей между пустотными и каркасными молекулами.

В 1990 г. чл.-корр. АН СССР Г.А. Домрачев (Ин-т металлоорганической химии РАН) и физик Д.А. Селивановский (Ин-т прикладной физики РАН) сформулировали гипотезу о существовании механохимических реакций радикальной диссоциации воды [Домрачев, 1995]. Они исходили из того, что жидкая вода представляет собой динамически нестабильную полимерную систему и что по аналогии с механохимическими реакциями в полимерах при механических воздействиях на воду поглощенная водой энергия, необходимая для разрыва Н-ОН, локализуется в микромасштабной области структуры жидкой воды. Реакцию разрыва Н-ОН связи можно записать так: (Н₂О)_n(Н₂О...H-|-OH) (Н₂О)_m + E (Н₂О)_n+1(H ) + ( OH) (Н₂О)_m, где “ E” обозначает не спаренный электрон.

Поскольку диссоциация молекул воды и реакции с участием радикалов H и OH происходит в ассоциированном состоянии жидкой воды, радикалы могут иметь громадные (десятки секунд и более) продолжительности жизни до гибели в результате реакций рекомбинации [Blough et al., 1990].

Таким образом, существуют достаточно убедительные свидетельства в пользу того, что в жидкой воде присутствуют весьма устойчивые полимерные структуры. В 1993 году американский химик Кен Джордан предложил свои варианты устойчивых “квантов воды”, которые состоят из 6 её молекул [Tsai & Jordan, 1993]. Эти кластеры могут объединяться друг с другом и со “свободными” молекулами воды за счет экспонированных на их поверхности водородных связей. Интересной особенностью этой модели является то, что из нее автоматически следует, что свободно растущие кристаллы воды, хорошо известные нам снежинки должны обладать 6лучевой симметрией.

В 2002 году группе д-ра Хэд-Гордона методом рентгеноструктурного анализа с помощью сверхмощного рентгеновского источника Advanced Light Source (ALS) удалось показать, что молекулы воды способны за счет водородных связей образовывать структуры - "истинные кирпичики" воды, представляющие собой топологические цепочки и кольца из множества молекул.

Другая исследовательская группа Нильссона из синхротронной лаборатории всё того же Стенфордского университета, интерпретируя полученные экспериментальные данные как наличие структурных цепочек и колец, считает их довольно долгоживущими элементами структуры.

Несмотря на то, что разные модели предлагают отличающиеся по своей геометрии кластеры, все они постулируют, что молекулы воды способны объединяться с образованием полимеров. Но классический полимер – это молекула, все атомы которой объединены ковалентными связями, а не водородными, которые до недавнего времени считались чисто электростатическими. Однако в 1999 г. было экспериментально показано, что водородная связь между молекулами воды во льду имеет частично (на 10%) ковалентный характер [Isaacs E. D., et al.,1999]. Даже частично ковалентный характер водородной связи “разрешает”, по меньшей мере, 10% молекул воды объединяться в достаточно долгоживущие полимеры (неважно, какой конкретной структуры). А если в воде есть полимеры воды, то даже слабые воздействия на абсолютно чистую воду, а тем более ее растворы, могут иметь важные последствия.

В химии полимеров хорошо известен тот факт, что под действием механических напряжений, в частности – звуковой обработки, растяжения, продавливания полимера через тонкие отверстия, молекулы полимеров могут “рваться”. В зависимости от строения полимера, условий, в которых он находится, эти разрывы сопровождаются либо образованием новых беспорядочных связей между “обрывками” исходных молекул, либо уменьшением их молекулярной массы. Такие процессы служат, в частности, причиной старения полимеров. Редко уточняют, что фрагментация полимеров при подобных воздействиях – явление нетривиальное. Так, например, интактные молекулы ДНК, составленных из сотен тысяч и миллионов мономеров-нуклеотидов, легко распадаются на более мелкие фрагменты от простого перемешивания препарата палочкой. При этом, чем меньше фрагменты, тем более высокой плотности требуется энергия для дальнейшего дробления. Во всех случаях – и в длинных и в коротких полимерах разрываются химически идентичные ковалентные связи. Следовательно, если для разрыва ковалентной связи между двумя атомами в малой молекуле необходимо приложить энергию, эквивалентную энергии кванта УФ- или по меньшей мере видимого света, то такая же связь в полимере может разорваться при воздействии на него механических колебаний. В первом случае частота колебаний соответствует величинам порядка 1015 Гц, во втором – герцам – килогерцам. Значит, молекула полимера может выступать в роли своеобразного трансформатора энергии низкой плотности в энергию высокой плотности. Образно говоря, полимеры превращают тепло в свет. А тогда, если жидкая вода может хоть в какой-то степени рассматриваться как квази-полимер, то и в ней могут осуществляться подобные процессы.

Способность молекул воды образовывать определенные структуры, основана на наличии так называемых водородных связей. Эти связи не химической природы. Они легко разрушаются и быстро восстанавливаются, что делает структуру воды исключительно изменчивой. Именно благодаря этим связям в отдельных микрообъемах воды непрерывно возникают своеобразные ассоциаты воды, её структурные элементы. Связь в таких ассоциатах называется водородной. Она является очень слабой, легко разрушаемой, в отличие от ковалентных связей, например, в структуре минералов или любых химических соединений.

Интересно, что свободные, не связанные в ассоциаты молекулы воды присутствуют в воде лишь в очень небольшом количестве. В основном же вода – это совокупность беспорядочных ассоциатов и «водяных кристаллов», где количество связанных в водородные связи молекул может достигать сотен и даже тысяч единиц.

«Водяные кристаллы» могут иметь самую разную форму, как пространственную, так и двухмерную (в виде кольцевых структур). В основе же всего лежит тетраэдр (простейшая пирамида в четыре угла). Именно такую форму имеют распределенные положительные и отрицательные заряды в молекуле воды. Группируясь, тетраэдры молекул H2O образуют разнообразные пространственные и плоскостные структуры. И из всего многообразия структур в природе базовой, судя по всему (пока лишь не точно доказанное предположение) является всего одна – гексагональная (шестигранная), когда шесть молекул воды (тетраэдров) объединяются в кольцо.

Такой тип структуры характерен для льда, снега, талой воды, клеточной воды всех живых существ.

Каждая молекула воды в кристаллической структуре льда участвует в 4 водородных связях, направленных к вершинам тетраэдра. В центре этого тетраэдра находится атом кислорода, в двух вершинах — по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей. 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).

Когда лёд плавится, его тетрагональная структура разрушается и образуется смесь полимеров, состоящая из три-, тетра-, пента-, и гексамеров воды и свободных молекул воды. Схематически этот процесс показан ниже.

Рис.6.2 Структура жидкой воды. В воде кластеры периодически разрушаются и образуются снова. Время перескока составляет 10^-12 секунд.

Изучить строение этих образующихся полимеров воды оказалось довольно сложно, поскольку вода – смесь различных полимеров, которые находятся в равновесии между собой. Сталкиваясь друг с другом, полимеры переходят один в другой, разлагаются и вновь образуются.

Разделить эту смесь на отдельные компоненты тоже практически невозможно. Лишь в 1993 году группа исследователей из Калифорнийского университета (г. Беркли, США) под руководством доктора Р.Дж.Сайкалли расшифровала строение триммера воды, в 1996 г. – тетрамера и пентамера, а затем и гексамера воды. К этому времени уже было установлено, что жидкая вода состоит из полимерных ассоциатов (кластеров), содержащих от трех до шести молекул воды.

На рисунке 6.3показано строение три-, тетра-, пента-, и гексамера воды. Все они цикличны, т. е. образуют довольно устойчивые «кольца».

Более сложным оказалось строение гексамера. Самая простая структура – шесть молекул воды в вершинах шестиугольника, – как выяснилось, не столь прочна, как структура клетки. Более того, структуры призмы, раскрытой книги или лодки тоже оказались менее устойчивыми. В шестиугольнике может быть только шесть водородных связей, а экспериментальные данные говорят о наличии восьми. Это значит, что четыре молекулы воды связаны перекрёстными водородными связями.

Структуры кластеров воды были найдены и теоретически, сегодняшняя вычислительная техника позволяет это сделать. Более того, именно сопоставлением экспериментально найденных и рассчитанных параметров удалось доказать, что полимеры имеют то строение, которое описано выше.

В 1999 г. Станислав Зенин провёл совместно с Б. Полануэром (сейчас в США) исследование воды в ГНИИ генетики, которые дали интереснейшие результаты. Применив современные методы анализа, как-то рефрактометрического, протонного резонанса и жидкостной хроматографии исследователям удалось обнаружить полиассооциаты - "кванты" воды.

Объединяясь друг с другом, кластеры могут образовывать более сложные структуры.

Кластеры, содержащие в своём составе 20 молекулу оказались более стабильными.

Согласно гипотезе С.В. Зенина вода представляет собой иерархию правильных объемных структур "ассоциатов" (clathrates), в основе которых лежит кристаллоподобный "квант воды", состоящий из 57 ее молекул, которые взаимодействуют друг с другом за счет свободных водородных связей. При этом 57 молекул воды (квантов), образуют структуру, напоминающую тетраэдр. Тетраэдр в свою очередь состоит из 4 додекаэдров (правильных 12-гранников). 16 квантов образуют структурный элемент, состоящий из 912 молекул воды. Вода на 80% состоит из таких элементов, 15% - кванты-тетраэдры и 3% - классические молекулы Н₂О. Таким образом, структура воды связана с так называемыми платоновыми телами (тетраэдр, додекаэдр), форма которых связана с золотой пропорцией. Ядро кислорода также имеет форму платонова тела (тетраэдра).

Элементарной ячейкой воды являются тетраэдры, содержащие связанные между собой водородными связями четыре (простой тетраэдр) или пять молекул Н₂О (объемно-центрированный тетраэдр).

Рис.6.7 Тетраэдр

При этом у каждой из молекул воды в простых тетраэдрах сохраняется способность образовывать водородные связи. За счет их простые тетраэдры могут объединяться между собой вершинами, ребрами или гранями, образуя различные кластеры со сложной структурой, например, в форме додекаэдра.

Рис.6.8 Додекаэдр

Таким образом, в воде возникают стабильные кластеры, которые несут в себе очень большую энергию и информацию крайне высокой плотности. Порядковое число таких структур воды так же высоко, как и порядковое число кристаллов (структура с максимально высоким упорядочением, которую мы только знаем), потому их также называют «жидкими кристаллами» или «кристаллической водой». Такая структура энергетически выгодна и разрушается с освобождением свободных молекул воды лишь при высоких концентрациях спиртов и подобных им растворителей [Зенин, 1994]. "Кванты воды" могут взаимодействовать друг с другом за счет свободных водородных связей, торчащих наружу из вершин “кванта” своими гранями. При этом возможно образование уже двух типов структур второго порядка. Их взаимодействие друг с другом приводит к появлению структур высшего порядка. Последние состоят из 912 молекул воды, которые по модели Зенина практически не способны к взаимодействию за счет образования водородных связей. Этим и объясняется, например, высокая текучесть жидкости, состоящей из громадных полимеров. Таким образом, водная среда представляет собой как бы иерархически организованный жидкий кристалл.

Изменение положения одного структурного элемента в этом кристалле под действием любого внешнего фактора или изменение ориентации окружающих элементов под влиянием добавляемых веществ обеспечивает, согласно гипотезе Зенина, высокую чувствительность информационной системы воды. Если степень возмущения структурных элементов недостаточна для перестройки всей структуры воды в данном объеме, то после снятия возмущения система через 30-40 мин возвращается в исходное состояние. Если же перекодирование, т. е. переход к другому взаимному расположению структурных элементов воды оказывается энергетически выгодным, то в новом состоянии отражается кодирующее действие вызвавшего эту перестройку вещества [Зенин, 1994]. Такая модель позволяет Зенину объясненить "память воды" и ее информационные свойства [Зенин, 1997].

В дистиллированной воде кластеры практически электронейтральны. Однако Зенин обнаружил, что их электропроводность можно изменить. Если помешать магнитной мешалкой, связи между элементами клстеров будут разрушены и вода превратится в мертвое, неупорядоченное месиво.

Если поместить в воду предельно малое количество другого вещества (хоть одну молекулу) - кластеры начнут "перенимать" его электромагнитные свойства. Это свойство объясняет чрезвычайно лабильный, подвижный характер их взаимодействия. Его природа обусловлена дальними кулоновскими силами, определяющими новый вид зарядово-комплементарной связи. Именно за счет этого вида взаимодействий осуществляется построение структурных элементов воды в ячейки (клатраты) размером до 0,5-1 микрон. Их можно непосредственно наблюдать при помощи контрастно-фазового микроскопа.

Структурированное состояние воды оказалось чувствительным датчиком различных полей. С. Зенин считает, что мозг, сам состоящий на 90% из воды, может, тем не менее, изменять её структуру.

Опираясь на подобные представления о структуре воды, учёные выяснили интересные подробности. Недавно, как сообщил российские исследователи Высоцкий и Корнилова, развивая идеи Ю.И. Наберухина, провели расчет энергетических характеристик, необходимых для перехода свободных молекул воды из несвязанного состояния в полость клатрата и обратно.

С помощью этих расчетов они показали, что структурой воды - количеством свободных молекул воды в полостях клатратов и вне их, - можно управлять с помощью давления, температуры, магнитного поля и т. д. Причем вода может использоваться для медицинских целей, как самостоятельно, так и в качестве "упаковки" для молекул лекарственных веществ. Такой гипотетической "упаковкой", способной донести лекарства до внутренних органов больного, не растратив их по пути, служат клатраты, в полостях которых могут быть размещены лекарственные молекулы при определенных режимах их приготовления.

В природных условиях полости в клатратах воды могут занимать молекулы природных газов, образуя кристаллогидраты. Наиболее распространенным кристаллогидратом, встречающимся в вечной мерзлоте и на дне морей и океанов, является кристаллогидрат углеводородного газа метана. Он представляет собой массу, похожую на мокрый снег. Такие кристаллогидраты, в принципе, могут использоваться в качестве топлива альтернативного нефти и газу, но, вместе с тем, могут представлять большую опасность для жизни на Земле.

Модель кластерного строения воды имеет много спорных дискутируемых моментов, но отвергать её совершенно несправедливо. Например, Зенин предполагает, что основной структурный элемент воды — кластер из 57 молекул, образованный слиянием четырёх додекаэдров. Они имеют общие грани, а их центры образуют правильный тетраэдр. То, что молекулы воды могут располагаться по вершинам пентагонального додекаэдра, известно давно; такой додекаэдр — основа газовых гидратов. Поэтому ничего удивительного в предположении о существовании таких структур в воде нет, хотя уже говорилось, что никакая конкретная структура не может быть преобладающей и существовать долго. Поэтому странно, что этот элемент предполагается главным и что в него входит ровно 57 молекул. Из шариков, например, можно собирать такие же структуры, которые состоят из примыкающих друг к другу додекаэдров и содержат 200 молекул. Зенин же утверждает, что процесс трёхмерной полимеризации воды останавливается на 57 молекулах. Более крупных ассоциатов, по его мнению, быть не должно. Однако если бы это было так, из водяного пара не могли бы осаждаться кристаллы гексагонального льда, которые содержат огромное число молекул, связанных воедино водородными связями. Совершенно неясно, почему рост кластера Зенина остановился на 57 молекулах. Чтобы уйти от противоречий, Зенин упаковывает кластеры в более сложные образования — ромбоэдры — из почти тысячи молекул, причём исходные кластеры друг с другом водородных связей не образуют. Возникает вопрос почему? Чем молекулы на их поверхности отличаются от тех, что внутри? По мнению Зенина, узор гидроксильных групп на поверхности ромбоэдров и обеспечивает информационые свойства воды. Следовательно, молекулы воды в этих крупных комплексах жёстко фиксированы, и сами комплексы представляют собой твёрдые тела. Такая вода не будет течь, а температура её плавления, которая связана с молекулярной массой, должна быть весьма высокой. Поскольку в основе модели лежат тетраэдрические постройки, её можно в той или иной степени согласовать с данными по дифракции рентгеновских лучей и нейтронов. И хотя модель Зенина может объяснить уменьшение плотности при плавлении — упаковка додекаэдров плотнее, чем лёд, труднее согласуется модель с динамическими свойствами воды — текучестью, большим значением коэффициента самодиффузии, малыми временами корреляции и диэлектрической релаксации, которые измеряются пикосекундами..

Рассматривая все эти модели, нужно чётко представлять, что они – пока не более чем модели, лучше всего объясняющие те или иные аномальные свойства воды.

7. Агрегатные виды льда

Лёд - минерал с химической формулой H2O, представляет собой воду в кристаллическом состоянии.

Химический состав льда: Н - 11,2%, О - 88,8%. Иногда лед содержит газообразные и твердые механические примеси. В природе лёд представлен, главным образом, одной из нескольких кристаллических модификаций, устойчивой в интервале температур от 0 до 80°C, имеющей точку плавления 0°С.

Свойства льда: Лёд бесцветен. В больших скоплениях он приобретает синеватый оттенок. Блеск стеклянный. Прозрачный. Спайности не имеет. Твердость 1,5. Хрупкий. Оптически положительный, показатель преломления очень низкий (n = 1,310, nm = 1,309).

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. Эти условия близки к космическим 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.

Самое необычное свойство льда — это удивительное многообразие внешних проявлений. При одной и той же кристаллической структуре он может выглядеть совершенно по-разному, принимая форму прозрачных градин и сосулек, хлопьев пушистого снега, плотной блестящей корки льда или гигантских ледниковых масс.

Кристаллическая структура льда похожа на структуру алмаза: каждая молекула Н₂O окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях от нее, равных 2,76 ангстрем и размещенных в вершинах правильного тетраэдра. В связи с низким координационным числом структура льда является сетчатой, что влияет на его невысокую плотность(0,917).

В природе лёд представлен, главным образом, одной кристаллической разновидностью, кристаллизующейся в гексагональной решётке, с плотностью 931 кг/м³. Лёд встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного), а также в виде снега, инея и т. д. Поскольку лёд легче жидкой воды, то образуется он на поверхности водоёмов, что препятствует дальнейшему замерзанию воды.

Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, так как при кристаллизации воды в первую очередь в решётку встают молекулы воды, а примеси вытесняются в жидкость. Однако, лёд может содержать механические примеси — твёрдые частицы, капельки концентрированных растворов, пузырьки газа. Наличием кристалликов соли и капелек рассола объясняется солоноватость морского льда.

Растущий кристалл льда всегда стремится создать идеальную кристаллическую решетку и вытесняет посторонние вещества. Но в планетарном масштабе именно замечательный феномен замерзания и таяния воды играет роль гигантского очистительного процесса - вода на Земле постоянно очищает сама себя.

Общие запасы льда на Земле около 30 млн. км³. Больше всего льда сосредоточено в Антарктиде, где толщина его слоя достигает 4 км. Также имеются данные о наличии льда на планетах Солнечной системы и в кометах.

Модификации льда

Впервые полиморфизм льда был обнаружен Г. Тамманом в 1900 г. и подробно изучен П. Бриджеменом в 1912 г.

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: скопившийся на полюсах Земли лёд способен вызывать многолетние колебания уровня Мирового океана. Лед имеет столь большое значение для нашей планеты и 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.

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. 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. 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.

Лед трудно расплавить, как бы ни странно это звучало. Не будь водородных связей, сцепляющих молекулы воды, он плавился бы при –90°С. При этом, замерзая, вода не уменьшается в объеме, как это происходит с большинством известных веществ, а увеличивается — за счет образования сетчатой структуры льда.

Вследствие очень высокой отражательной способности льда (0,45) и снега (до 0,95) покрытая ими площадь — в среднем за год около 72 млн. км2 в высоких и средних широтах обоих полушарий — получает солнечного тепла на 65% меньше нормы и является мощным источником охлаждения земной поверхности, чем в значительной мере обусловлена современная широтная климатическая зональность. Летом в полярных областях солнечная радиация больше, чем в экваториальном поясе, тем не менее температура остаётся низкой, т. к. значительная часть поглощаемого тепла затрачивается на таяние льда, имеющего очень высокую теплоту таяния.

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.

Лёд II, III и V-й модификации длительное время сохраняются при атмосферном давлении, если температура не превышает —170°С. При нагревании приблизительно до —150°С лёд превращаются в кубический лёд Ic.

При конденсации паров воды на более холодной подложке образуется аморфный лёд. Эта форма льда может самопроизвольно переходить в гексагональный лёд, причём тем быстрее, чем выше температура.

Лёд IV-й модификации является метастабильной фазой льда. Он образуется гораздо легче и особенно стабилен, если давлению подвергается тяжёлая вода.

Кривая плавления льда V и VII исследована до давления 20 Гн/м² (200 тыс. кгс/см²). При этом давлении лёд VII плавится при температуре 400°С.

Лёд VIII является низкотемпературной упорядоченной формой льда VII.

Лёд IX — метастабильная фаза, возникающая при переохлаждении льда III и по существу представляющая собой его низкотемпературную форму.

Две самых 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.

Разгадка структуры льда заключается в строении его молекулы. Кристаллы всех модификаций льда построены из молекул воды H₂O, соединённых водородными связями в трёхмерный каркас (рис.7). Молекулу воды можно упрощенно представить себе в виде тетраэдра (пирамиды с треугольным основанием). В её центре находится атом кислорода, в двух вершинах — по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей, поэтому их называют неподеленными.

Каждая молекула 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, — 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.

Однако самое удивительное в структуре льда заключается в том, что молекулы воды при низких отрицательных температурах и высоких давлениях внутри нанотрубок могут кристаллизоваться в форме двойной спирали, похожей на ДНК. Это было доказано компьютерными экспериментами американских учёных под руководством Сяо Чэн Цзэна в Университете штата Небраска (США).

Вода в моделируемом эксперименте "помещалась" в нанотрубки под высоким давлением, варьирующимися в разных опытах от 10 до 40000 атмосфер. После этого задавали температуру, которая во всех запусках имела значение -23°C. Запас по сравнению с температурой замерзания воды делался в связи с тем, что с повышением давления температура плавления водяного льда понижается. Диаметр нанотрубок составлял от 1,35 до 1,90 нм.

Молекулы воды связываются между собой посредством водородных связей, расстояние между атомами кислорода и водорода равно 96 пм, а между двумя водородами - 150 пм. В твёрдом состоянии атом кислорода участвует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды. При этом отдельные молекулы воды соприкасаются друг с другом разноимёнными полюсами. Таким образом, образуются слои, в которых каждая молекула связана с тремя молекулами своего слоя и одной из соседнего. В результате, кристаллическая структура льда состоит из шестигранных "трубок" соединенных между собой, как пчелиные соты.

Учёные ожидали увидеть, что вода во всех случаях образует тонкую трубчатую структуру. Однако, модель показала, что при диаметре трубки в 1,35 нм и давлении в 40000 атмосфер водородные связи искривились, приведя к образованию спирали с двойной стенкой. Внутренняя стенка этой структуры является скрученной в четверо спиралью, а внешняя состоит из четырёх двойных спиралей, похожих на структуру молекулы ДНК.

Многообразие льда:

I. Атмосферный лед: снег, иней, град.

Атмосферный лед - ледяные частицы, взвешенные в атмосфере или выпадающие на земную поверхность (твердые осадки), а также ледяные кристаллы или аморфный налет, образующийся на земной поверхности, на поверхности наземных предметов и на летательных аппаратах в воздухе.

Снег - твердые осадки, выпадающие в виде снежинок. Снег выпадает из многих видов облаков, в особенности из слоисто-дождевых (снегопад). Снег - типичный зимний вид осадков, образующий снежный покров.

Иней - тонкий неравномерный слой ледяных кристаллов, образующийся на почве, траве и наземных предметах из водяного пара атмосферы при охлаждении земной поверхности до отрицательных температур, более низких, чем температура воздуха.

Град - атмосферные осадки в виде частичек льда круглой или неправильной формы (градин) размером 5-55 мм. Град выпадает в теплое время года из мощных кучево-дождевых облаков, сильно развитых вверх, обычно при ливнях и грозах.

II. Водный лед (ледяной покров)образующийся на поверхности воды и в массе воды на различной глубине: внутриводный, донный лед.

Ледяной покров - сплошной лед, образующийся в холодное время года на поверхности океанов, морей, рек, озер, искусственных водоемов, а также приносимый из соседних районов. В высокоширотных областях существует круглогодично.

Внутриводный лед- скопление первичных ледяных кристаллов, образующихся в толще воды и на дне водного объекта.

Донный лед - лед, откладывающийся на дне водоема или взвешенный в воде. Донный лед наблюдается на дне рек, морей и небольших озер, на погруженных в воду предметах и в мелких местах. Донный лед образуется при кристаллизации переохлажденной воды, имеет рыхлую пористую структуру.

III. Подземный лед.

Подземные льды - льды, находящиеся в верхних слоях земной коры. Подземные льды встречаются в областях распространения многолетнемерзлых пород. По времени образования различают современный и ископаемый подземный лед, по происхождению:

а). первичный лед, возникающий в процессе промерзания рыхлых отложений;

б). вторичный лед - продукт кристаллизации воды и водяных паров (а) в трещинах (жильный лед), (б) в порах и пустотах (пещерный лед), (в) погребенный лед, формирующийся на земной поверхности, а затем перекрытый осадочными породами.

IV. Наледный лед.

Наледный лед – образуется за счет послойного намораживания воды, поступающей на поверхность ледяного покрова. Наледный лед имеет слоистую структуру с толщиной слоев до нескольких сантиметров, характерен для водотоков в районах с суровым климатом и по оптическим свойствам занимает промежуточное положение между снеговым и водным льдом.

Также лед можно разделить на:

Водный (кристаллический) лед – образован замерзанием чистой воды (без примеси иных ранее образовавшихся видов льда) при понижении температуры поверхностного слоя до точки замерзания. Он преимущественно прозрачный, состоит из столбчатых кристаллов разной толщины, оси которых направлены перпендикулярно к замерзающей поверхности. С точки зрения структуры это кристаллический лед, с выраженной первичной структурой

Шуговый лед - возникает при замерзании воды, содержащей шуговые образования. Он образуется или непосредственно на поверхности воды в период движения шуги, или же путем примерзания последней к нижней поверхности водного или снегового льда при наличии зажора. Шуговый лед содержит обычно много пузырьков воздуха, а также включения взвешенных наносов и грунта, поэтому он менее прозрачен, чем водный и имеет неправильную структуру.

Снежный (снеговой) лед - образуется промерзанием талого снега на поверхности воды при густом снегопаде или же талого снега на льду, пересыщенного водой. Снежный лед имеет зернистую структуру, непрозрачен, содержит большое количество воздушных пузырей.

Игольчатый лед - лед, образующийся при спокойной воде на поверхности реки. Игольчатый лед имеет вид призматических кристаллов с осями, расположенными в горизонтальном направлении, что придает льду слоистое строение.

Серо-белый лед - молодой лед толщиной 15-30 см. Обычно при сжатиях серо-белый лед торосится.

Серый лед - молодой лед толщиной 10-15 см. Обычно при сжатиях серый лед наслаивается.

Сало - поверхностные первичные ледяные образования, состоящие из иглообразных и пластинчатых кристаллов в виде пятен или тонкого сплошного слоя серого цвета.

Забереги - полосы льда, окаймляющие берега рек, каналов, озер и водохранилищ при незамерзшей остальной части водного пространства. Различают первичные забереги, образующиеся у берегов; наносные забереги, возникающие в результате примерзания льда и шуги во время ледохода; остаточные забереги, остающиеся у берегов весной при таянии льда. На озерах и водохранилищах они могут нарастать также за счет льдин, пригнанных к берегу ветром. При сильных ветрах (на водоемах) или течениях (на водотоках) они взламываются и нагромождаются на берега в виде торосов.

В зарубежной литературе встречаются термины «черный лед» и «белый лед». Черный – это лед, образовавшийся при замерзании воды при небольшом количестве рассеивающих включений; такой лед имеет темный цвет. Белый лед образуется при смерзании шуги или снега с большим количеством включений воздуха, характеризуется мелкокристаллической структурой; вследствие рассеяния света такой лед имеет белый цвет.

Заключение

Вода - это и строительный материал, который используется для создания всего живого, и среда, в которой протекают все жизненные процессы, и растворитель, выносящий из организма вредные для него вещества, и уникальный транспорт, снабжающий биологические структуры всем необходимым для нормального протекания в них сложнейших физико-химических процессов. И это всеобъемлющее влияние воды на любую живую структуру может быть не только положительным, но и отрицательным. В зависимости от своего состояния вода может быть как созидателем цветущей жизни, так и ее разрушителем, могильщиком - всё зависит от ее химического и изотопного состава, структурных, биоэнергетических свойств. Не случайно академик И. В. Петрянов сказал: "Вода - это подлинное чудо природы!". Учёные абсолютно правы: нет на Земле вещества, более важного для нас, чем обыкновенная вода, и в тоже время не существует другого такого вещества, в свойствах которого было бы столько противоречий и аномалий, сколько в её свойствах.

«Что такое вода?» - вопрос далеко не простой. Все, о чем было рассказано о ней в данной работе не является исчерпывающим ответом на этот вопрос, а во многих случаях дать ясный ответ на него пока и совсем нельзя. Например, пока остается открытым вопрос о структуре воды, причинах многочисленных аномалий воды и, вероятно, еще о многих свойствах и разновидностях воды, о которых мы даже не подозреваем. Однозначно можно сказать лишь то, что вода - самое уникальное вещество на земле.

Список литературы

1. Fletcher N. H., The chemical physics of ice, Camb., 1970;

2. o8ode.ru(публикация работ Мосина Олега)

3. www.ecoz.ru

4. www.okeani.ru

5. Вода, которую мы пьём, Ахматов М. Москва, 2006;

6. Вода питьевая. М.: ИПК Издательство стандартов.

7. Методические указания "Основы гидрофизики", Козлов Д. В. http://www.msuee.ru/html2/med_gidr/lit.php

8. Основы структурного ледоведения, Шумский П. А., М., 1955;

9. Физика льда, Паундер Э. Р., пер. с англ., М., 1967;

10. Чистая вода. Системы очистки и бытовые фильтры. СПб.: Изд. Арлит, 2000 Миклашевский Н.В., Королькова С.В.