Аномальные свойства воды, или удивительное всегда рядом с нами

Аномальные свойства воды до сих пор, в своём большинстве, для академической науки являются загадкой. В этой статье мы кратко расскажем про эти “нестандартные”  свойства воды – кратко о главном…

* Материал в том числе частично создан и с помощью API OpenAI ChatGPT Изображение сгенерировано AI

Аномальные свойства воды …

Аномальные свойства воды – это свойств воды, которые выпадают из общих закономерностей и правил таких наук как физика и химия. Эти свойства не соответствуют законам «периодической системы», разработанной гениальным ученым-химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым.

Про общие физические и химические свойства воды, мы писали в других наших материалах – ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ ( читать → ) и ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ ( читать → ).

В этом материале, мы кратко перечислим основные аномальные свойства воды.

Температура замерзания и кипения

Температуры замерзания и кипения воды не соответствуют общим закономерностям и законам химии. Так мы знаем, что вода в реальной жизни замерзает при 0°C, а кипит при 100°C, в то время как в соответствии с общими правилами химии эти процессы должны проходить при -90°C (минус девяносто) и -70°C (минус 70) соответственно.

Уникальная теплоёмкость воды

Вода имеет уникальную по своей величине аномальную теплоемкость равную 4,18 кДж (кг-К). Это означает, что вода медленно охлаждается и медленно нагревается. Аномальная теплоемкость воды особенно проявляется вблизи точек замерзания и кипения. В отличие от большинства веществ, теплоемкость воды увеличивается по мере приближения к температуре замерзания, а затем уменьшается при переходе в лед. Это уникальное свойство обусловлено водородными связями между молекулами воды, которые при понижении температуры становятся более упорядоченными. Вблизи точки кипения вода также демонстрирует небольшое увеличение теплоемкости. 

Понимание аномальной теплоемкости воды имеет решающее значение в таких областях, как климатология, биология и материаловедение.

Вода является эффективным регулятором температур, она ограничивает ее резкие перепады температур. Более подробно с этим ее свойством вы можете ознакомиться в нашей статье – УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЁМКОСТЬ ВОДЫ, ИЛИ ПОЧЕМУ МЫ ТАКИЕ, КАК ЕСТЬ … 

Высокая теплопроводность

Вода является отличным теплопроводником, что позволяет ей быстро распространять тепло в системе. Теплопроводность воды выше, чем можно было бы ожидать, исходя из ее вязкости и плотности. Это связано с сильными водородными связями между молекулами воды, что позволяет более эффективно передавать тепло.

Следует отметить, что ее теплопроводность уменьшается по мере приближения к температуре замерзания, в отличие от того, что наблюдается у большинства веществ. Когда вода остывает и приближается к точке замерзания водородные связи становятся более упорядоченными, затрудняя поток тепла. Это аномальное поведение имеет серьезные последствия в различных областях, включая климатологию, геофизику и инженерию. Понимание аномальной теплопроводности воды помогает исследователям моделировать теплообмен в природных системах и разрабатывать эффективные технологии управления температурным режимом.

Температурная яма

Наибольшая скорость нагрева и охлаждения воды происходит в так называемой «температурной яме», которая образуется вследствие того, что в районе 37 °C теплоемкость у воды наименьшая.

Как мы видим, температура человеческого тела 36,6 °C близка к этому значению.

Эффект Мпембы 

Удивительно, но факт – горячая вода замерзает быстрее холодной, что противоречит логике и общему восприятию вещей.

Эффект Мпембы — аномальное явление, при котором горячая вода при определенных условиях замерзает быстрее, чем холодная. Этот эффект названн в честь танзанийского студента Эрасто Мпембы, наблюдавшего эего в 1960-х годах.

Эффекту Мпембы могут способствовать несколько факторов. Например, испарение, конвекционные потоки, растворенные газы и переохлаждение. Однако точные механизмы, стоящие за этим эффектом, до сих пор до конца не изучены.

Эффект Мпембы имеет практическое значение в различных областях, включая криогенику, пищевую науку и моделирование климата.

Аномальные свойства воды при температуре + 3,98 ° по Цельсию

Как мы уже отметили выше, температура + 3,98 °C, является для воды важным значением. При понижении температуры до этого уровня вода ведет себя в соответствии с общими законами и правилами этих наук. При дальнейшем понижении температуры у воды начинают проявляются ее аномальные свойства.

Максимальная плотность при при 4°C. Вода достигает максимальной плотности примерно при 4°C. Эта максимальная плотность является результатом баланса между увеличением “молекулярного порядка” и уменьшением теплового движения молекул.

Аномальные свойства воды при замерзании – объём и плотность

Еще одним важным для всех нас является ее аномальное свойство при замерзании увеличиваться в объеме, тем самым уменьшая свою плотность. Уточним, что до + 3,98 °C вода ведет в соответствии с общими законами химии и физики, а далее проявляются ее аномальные свойства.

Поверхностное натяжение воды – аномальные свойства воды

Поверхностное натяжение воды — одно из ее аномальных свойств, которое возникает благодаря силам сцепления между молекулами воды на поверхности жидкости. Дело в том, что молекулы воды на поверхности притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам в середине объема жидкости, в результате чего и возникает так называемый «кожный» слой.

Поверхностное натяжение воды, хорошо демонстрирует всем хорошо известный пример. Аккуратно положенная на воду металлическая швейная игла плавает, а не тонет, что во многом само по себе удивительно. Ведь плотность метала гораздо больше плотности воды.

Вся жизнь на Земле своим существованием во многом обязано именно этому свойству воды.

Высокое поверхностное натяжение воды приводит к нескольким важным эффектам. Например, таким как образование капель, капиллярное движение (вода втягивается в узкие трубки-капиляры), способность некоторых насекомых, ходить по воде…

Поверхностное натяжение уменьшается с повышением температуры. Это связано с тем, что более высокие температуры увеличивают кинетическую энергию молекул воды, ослабляя тем самым межмолекулярные силы на поверхности.

Аномальная вязкость

Вязкость воды демонстрирует аномальное поведение, вблизи точек замерзания и кипения, из-за сложного взаимодействия водородных связей и тепловой энергии. Эта аномальная вязкость имеет далеко идущие последствия как для природных, так и для технологических систем.

Зависимость от температуры. В отличие от многих жидкостей, вязкость воды уменьшается с повышением температуры. Такое поведение наиболее заметно вблизи точки замерзания (0°C) и точки кипения (100°C). Вблизи 0°C вода становится более вязкой из-за образования водородных связей между молекулами воды. При повышении температуры выше 0°C эти связи ослабевают, что приводит к снижению вязкости. Когда вода приближается к температуре кипения, увеличение тепловой энергии нарушает межмолекулярные взаимодействия, еще больше снижая вязкость.

Максимальная вязкость. Соответственно вода достигает максимальной вязкости при температуре приближенной к 0°C.

Вода – отличный растворитель

Вода является отличным растворителем, она удивительно легко растворяет большое количество самых разнообразных веществ и газов. И что тоже весьма важно, так же легко их отдает. Например, благодаря именно этому свойству после дождя мы чувствуем удивительную свежесть – дождь очищает воздух.

Роль воды как растворителя имеет решающее значение для многих биологических, химических и геологических процессов. Ее уникальные свойства как растворителя повышают значимость воды для поддержания жизни и формирования окружающей среды Земли.

Диэлектрическая проницаемость – аномальные свойства воды

Диэлектрическая проницаемость воды выше, чем можно было бы ожидать. Это связано со способностью молекул воды ориентироваться в электрическом поле, что усиливает их поляризуемость.

Зависимость от температуры. Диэлектрическая проницаемость воды уменьшается с повышением температуры, что противоречит поведению большинства жидкостей. При комнатной температуре (около 25°C) вода имеет относительно высокую диэлектрическую проницаемость. Однако с повышением температуры диэлектрическая проницаемость воды уменьшается. Это снижение объясняется ослаблением водородных связей между молекулами воды при повышении температуры.

Вода и магнитное поле

Под воздействием магнитного поля у воды меняется ее способность к растворению веществ, изменяется скорость, проходящих в ней, химических реакций.

Заключение

Аномальные свойства воды еще раз подтверждают общеизвестное высказывание – удивительное рядом с нами. Эти свойства воды играют важную роль в жизни на Земле, включая биологические процессы, климатические явления и геологические процессы.

 

Рекомендуем по теме

• Физические свойства воды
• Погода – классификация, критерии и характеристики
• Пресная вода – возобновляемый ресурс
• Водные ресурсы Земли – общая картина и немного цифр

Несколько авторитетных веб-ресурсов об аномальных свойствах воды

• Калифорнийский университет, Беркли – Понимание аномальных свойств воды https://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/virttxtjml/Questions/proph2o.htm
• Национальный центр биотехнологической информации (NCBI) – Аномальные свойства воды: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3097667/
• Американское химическое общество (ACS) – Аномальные свойства воды: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcb.1c07976
• Королевское химическое общество (RSC) – Аномальные свойства воды: https://www.rsc.org/news-events/features/2016/jun/water-anomalous-properties/
• Природа – Аномальные свойства воды: https://www.nature.com/articles/s41467-020-17558-w

 

Аномальные свойства воды, или удивительное всегда рядом с нами

Статья опубликована: 2015-09-22 Автор: Waterman