Статті

Загадки простої води

Воді належить величезна роль у природі. Справді , адже саме море з'явилося першою ареною життя на Землі. Розчинені в морській воді аміак і вуглеводи в контакті з деякими мінералами при досить високому тиску й впливі потужних електричних розрядів могли забезпечити утворення білкових речовин, на основі яких надалі виникли найпростіші організми. На думку К.Э. Ціолковського, водне середовище сприяло запобіганню тендітних і недосконалих спочатку організмів від механічного ушкодження. Суша й атмосфера стали згодом другою ареною життя.

Можна сказати, що все живе складається з води й органічних речовин. Без води людин, наприклад, міг би прожити не більше 2...3 днів, без живильних же речовин він може жити кілька тижнів. Для забезпечення нормального існування людина повинен уводити в організм води приблизно в 2 рази більше по вазі, чим живильних речовин. Втрата організмом людини більше 10% води може привести до смерті. У середньому в організмі рослин і тварин утримується більше 50% води, у тілі медузи її до 96, у водоростях 95...99, у суперечках і насіннях від 7 до 15%. У ґрунті перебуває не менш 20% води, в організмі ж людини вода становить близько 65% (у тілі немовляти до 75, у дорослого 60%). Різні частини людського організму містять неоднакова кількість води: склоподібне тіло ока складається з води на 99%, у крові її втримується 83, у жировій тканині 29, у кістяку 22 і навіть у зубній емалі 0,2%.

У первинній водній оболонці земної кулі води було набагато менше, ніж тепер (не більше 10% від загальної кількості води у водоймах і ріках у цей час). Додаткова кількість води з'явилося згодом у результаті звільнення води, що входить до складу земних надр. За розрахунками фахівців, у складі мантії Землі води втримується в 10...12 разів більше, ніж у Світовому океані. При середній глибині в 4 км Світовий океан покриває близько 71% поверхні планети й містить 97,6% відомих нам світових запасів вільної води. Ріки й озера містять 0,3% світових з вільної води.

Більшими сховищами вологи є й льодовики, у них зосереджено до 2,1% світових запасів води. Якби всі льодовики станули, то рівень води на Землі піднявся б на 64 м і близько 1/8 поверхні суши було б затоплене водою. В епоху заледеніння Європи, Канади й Сибіру товщина крижаного покриву в гірських місцевостях досягала 2 км. У цей час внаслідок потепління клімату Землі поступово відступають границі льодовиків. Це обумовлює повільне підвищення рівня води в океанах.

Близько 86% водяної пари надходить в атмосферу за рахунок випару з поверхні морів і океанів і тільки 14% за рахунок випару з поверхні суши. У підсумку в атмосфері концентрується 0,0005% загального запасу вільної води. Кількість водяної пари в складі приземного повітря мінливо. При особливо сприятливих умовах випару з поверхні, що підстилає, воно може досягати 2%. Незважаючи на це, кінетична енергія руху води в морях становить не більше 2% від кінетичної енергії повітряних плинів. Відбувається це тому, що більше третини сонячного тепла, що поглинається Землею, витрачається на випар і переходить в атмосферу. Крім того, значна кількість енергії надходить в атмосферу за рахунок поглинання минаючого через неї сонячного випромінювання й відбиття цього випромінювання від земної поверхні. Минула ж через водну поверхню промениста енергія Сонця й небесного зводу зменшується в інтенсивності наполовину вже у верхньому напівметрі води внаслідок сильного поглинання в інфрачервоній частині спектра.

Дуже велике значення в житті природи має та обставина, що найбільша щільність у води спостерігається при температурі 4°C. При охолодженні прісних водойм узимку в міру зниження температури поверхневих шарів більше щільні маси води опускаються долілиць, а на їхнє місце піднімаються знизу теплі й менш щільні. Так відбувається доти , поки вода в глибинних шарах не досягне температури 4°C. При цьому конвекція припиняється, тому що внизу буде перебувати більше важка вода. Подальше охолодження води відбувається тільки з поверхні, чим і пояснюється утворення льоду в поверхневому шарі водойм. Завдяки цьому під льодом не припиняється життя.

Вертикальне перемішування морської води здійснюється за рахунок дії вітру, припливів і зміни щільності по висоті. Вітрове перемішування води відбувається в напрямку зверху долілиць, приливне - знизу нагору. Щільнісне перемішування виникає за рахунок охолодження поверхневих вод. Вітрове й приливне перемішування поширюються на глибину до 50 м, на більших глибинах може позначатися дію тільки щільнісного перемішування.

Інтенсивність перемішування придонних і поверхневих вод сприяє їхньому освіженню, збагаченню киснем і живильними речовинами, необхідними для розвитку життя. Розчинений у воді повітря завжди більше багате киснем, чим повітря атмосферний. Наявний у воді кисень впливає благотворно на розвиток у ній життєвих процесів. За рахунок підвищеної кількості кисню в розчиненому повітрі занурені у воду метали посилено піддаються руйнуванню (корозії).

При замерзанні чиста вода розширюється майже на 10%, у морського льоду зміна обсягу відбувається на меншу величину. Оскільки вода при замерзанні розширюється, збільшення зовнішнього тиску знижує температуру її замерзання; температура плавлення льоду, навпаки, підвищується з тиском. У лабораторних умовах при тиску більше 40 тис. атмосфер можна одержати лід, що буде плавитися при температурі 175°C. Теплоємність і теплота плавлення льоду зменшуються з температурою, теплопровідність же майже не залежить від температури. Коли товщина льоду на поверхні водойми досягає 15 див, він стає надійним теплоизолятором між водою й повітрям.

Морська вода замерзає при температурі - 1,91°C. При подальшому зниженні температури до - 8,2°C починається осадження сірчанокислого натрію, і тільки при температурі - 23°C з розчину випадає хлористий натрій. Тому що частина розсолу при кристалізації йде з льоду, солоність його менше солоності морської води. Багаторічний морський лід настільки опрісняється, що з нього можна одержувати питну воду. Температура максимальної щільності морської води нижче температури замерзання. Це є причиною досить інтенсивної конвекції, що охоплює значну товщу морської води й затрудняющей замерзання. Теплоємність морської води стоїть на третім місці після теплоємності водню й рідкого аміаку.

Іноді вода замерзає при позитивній температурі. Таке явище спостерігається в трубопроводах і ґрунтових капілярах. У трубопроводах вода може змерзнути при температурі +20°C. Пояснюється це присутністю у воді метану. Оскільки молекули метану займають приблизно в 2 рази більший обсяг, чим молекули води, вони "розштовхують" молекули води, збільшують відстань між ними, що приводить до зниження внутрішнього тиску й підвищенню температури замерзання. У ґрунтовій волозі аналогічну роль виконують молекули білка. За рахунок впливу білкових молекул температура замерзання води в ґрунтових капілярах може зрости до +4,4°C.

Сніжинки, як правило, бувають у вигляді шести- і двенадцатилучевых зірочок, шестикутних пластинок, шестигранних призм. При зниженні температури повітря зменшуються розміри кристалів, що утворяться, і зростає розмаїтість їхніх форм. Особливості росту кристалів у повітрі пов'язані з наявністю в ньому водяної пари.

Усі знають, що сода в море солона. Це залежить від концентрації розчинених у ній солей, але не всім відомо, що в різних морях і океанах солоність води неоднакова. Середня солоність вод океану становить 35%; солоність морської води може змінюватися від нуля поблизу місць упадання великих рік до 40% у тропічних морях. Вода для питва повинна містити менш 0,05% розчинених солей. Рослини гинуть при наявності в поливній воді у вигляді домішки більше 0,25% солей.

Існуючі в природі рідини можна розділити на нормальні й асоційовані. Нормальними називаються ті рідини, у яких молекули не поєднуються в групи (асоціації). Рідини, що не підкоряються цій умові, називаються асоційованими. Вода належить до числа асоційованих рідин. Якби вода була неасоційованою рідиною, температура плавлення льоду в нормальних умовах була б +1,43°C, а температура кипіння води 103°C. Як правило, теплоємність рідин з температурою росте, але у води з наближенням до температури +35°C теплоємність після росту спадає до мінімуму, а потім знову переходить до монотонного росту. Відбувається це через те, що при такій температурі руйнуються молекулярні асоціації. Ніж простіше молекулярна структура, тим менше теплоємність речовини. Температура найбільшої щільності води знижується зі збільшенням тиску й при тиску 150 атмосфер досягає 0,7°C. Це також пояснюється зміною структури молекулярних асоціацій.

Серед існуючих у природі рідин вода має найбільшу теплоємність. Це визначає великий її вплив на клімат. Основним терморегулятором клімату є води океанів і морів: накопичуючи тепло влітку, вони віддають його взимку. Відсутність водойм на місцевості звичайно приводить до утворення різко континентального клімату. Завдяки впливу океанів на значній частині земної кулі забезпечується перевага опадів на суші над випаром, і організми рослин і тварин одержують потрібне їм для життя кількість води. Водна й повітряна оболонки земної кулі постійно обмінюються вуглекислотою з гірськими породами, рослинним і твариною миром, що також сприяє стабілізації клімату.

Відомо, що молекули, що перебувають на поверхні рідини, мають надлишок потенційної енергії й тому прагнуть втягтися усередину так, що при цьому на поверхні залишається мінімальна кількість молекул. За рахунок цього уздовж поверхні рідини завжди діє сила, що прагне скоротити поверхня. Це явище у фізику одержало назву поверхневого натягу рідини.

Серед існуючих у природі рідин поверхневий натяг води уступає тільки ртуті. З поверхневим натягом води зв'язана її сильна змочувальна дія (здатність "прилипати" до поверхні багатьох твердих тіл). Крім того, вода є універсальним розчинником. Теплота її випару вище теплоти випару будь-яких інших рідин, а теплота кристалізації уступає лише аміаку.

У природі існує шість ізотопів кисню. Три з них радіоактивні. Стабільними ізотопами є ПРО16, ПРО17 і ПРО18. При випарі у водяну пару в основному переходить ізотоп ПРО16, що неиспарились же вода збагачується ізотопами ПРО17 і ПРО18. У водах морів і океанів відношення ПРО18 до ПРО16 більше, ніж у водах рік. У раковинах тварин важкі ізотопи кисню зустрічаються частіше, ніж у воді. Зміст ізотопу ПРО18 в атмосферному повітрі залежить від температури. Чим вище температура повітря, тим більше води випаровується й тим більша кількість ПРО18 переходить в атмосферу. У період заледенінь планети зміст ізотопу ПРО18 в атмосфері було мінімальним.

Як відомо, молекула води складається із двох атомів водню й одного атома кисню. У складі звичайної води H2O є невелика кількість важкої води D2O і зовсім незначна кількість надважкої води T2O. У молекулу важкої води замість звичайного водню H - протия входить його важкий ізотоп D - дейтерій, до складу молекули надважкої води входить ще більш важкий ізотоп водню Т - тритій. У природній воді на 1 000 молекул H2O доводиться дві молекули D2O і на одну молекулу T2O - 1019 молекул H2O.

Важка вода D2O безбарвна, не має ні заходу, ні смаку й живих організмів не засвоюється. Температура її замерзання 3,8°C, температура кипіння 101,42°C і температура найбільшої щільності 11,6°C. По гигроскопичности важка вода близька до сірчаної кислоти. Її щільність на 10% більше щільності природної води, а в'язкість перевищує в'язкість природної води на 20%. Розчинність солей у важкій воді приблизно на 10% менше, ніж у звичайній воді. Оскільки D2O випаровується повільніше легкої води, у тропічних морях і озерах її більше, ніж у водоймах полярних широт.

Комбінуючи різні сполучення ізотопів водню й стабільних ізотопів кисню, можна одержати наступні різновиди молекул води: H2O16, H2O17, H2O18, HDO16, HDO17, HDO18, D2O16, D2O17, D2O18, T2O16, T2O17, T2O18, THO16, THO17, THO18, TDO16, TDO17, TDO18. Якщо ж використовувати й нестабільні ізотопи кисню O14, O15 і O19, то всього можна одержати 36 різновидів води. У природі частіше зустрічаються молекули води, побудовані з найпоширеніших ізотопів. Молекул H2O16 у природній воді втримується 99,73%, молекул H2O18...0,2% і молекул H2O17...0,04%.

Розглянемо деякі найбільш важливі оптичні властивості води й льоду. Не всі знають, що вода прозора тільки для видимих променів і сильно поглинає інфрачервону радіацію. Тому на інфрачервоних фотографіях водна поверхня завжди виходить чорної. При проходженні світла через шар морської води товщиною в 0,5 м поглинаються тільки інфрачервоні промені, нижче поглинаються послідовно червоні, жовті, а потім і синьо-зелені тони. За спостереженнями з батискафа людське око може виявити присутність сонячного світла на глибині до 600...700 м. Еталоном прозорості води є Саргасове море. Білий диск у цьому морі видний на глибині до 66,5 м. Дальність видимості знизу нагору в приповерхньому шарі моря становить близько 100 м.

Не все сонячне світло поглинається водою. Вода відбиває 5% сонячних променів, у той час як сніг - близько 85%. Під лід океану проникає тільки 2% сонячного світла.

Синій колір чистої океанської води пояснюється виборчим поглинанням і розсіюванням світла у воді. В умовах дифузійного висвітлення морської поверхні внаслідок переваги при цьому відбитого світла море виглядає більше сірим. При наявності брижів і хвилювання насиченість кольору збільшується (з подветренной сторони більш, ніж з навітряної).

Істотну роль у житті рослин грають оптичні властивості водяної пари. Справа в тому, що водяна пара сильно поглинає інфрачервоні промені з довжиною хвилі від 5,5 до 7 мікронів, що важливо для запобігання ґрунту від заморозків. Ще більш діючим засобом від заморозків є випадання роси й утворення туману: конденсація вологи супроводжується виділенням великої кількості тепла, що затримує подальше охолодження ґрунту.

Знаючи фізичні властивості води й льоду, людина давно використовує їх у своїй практичній діяльності. Так, наприклад, іноді застосовується прокладка голих електричних проводів прямо по льоду, тому що електропровідність сухого льоду й снігу досить мала. Вона в багато разів менше електропровідності води. Різні домішки значно впливають на електропровідність води й майже не змінюють електропровідності льоду. Електропровідність хімічно чистої води обумовлена частковою дисоціацією молекули води на іони H+ і OH-. Основне значення для електропровідності й води й льоду мають переміщення іонів H+ ("протонні перескоки"). Електропровідність хімічно чистої води при 18°C дорівнює 3,8·10-8 Ом-1·див-1 а електропровідність морської води близько 5·10-2 Ом-1·див-1. Електропровідність прісної природної води може бути 1 000 разів менше, ніж морський. Це пояснюється тим, що у воді морів і океанів розчинена більша кількість солей, чим у річковій воді.

Істотну характеристику електричних властивостей речовини дає відносна діелектрична проникність. У води вона має величину в межах 79...81, у льоду 3,26, у водяної пари 1,00705. Без води не було б на Землі ні життя, ні виробництва.