Смысл, Цель и Суть жизни человека

Вода при нормальных условиях находится в жидком состоянии, тогда как аналогичные водородные соединения других элементов являются газами (H

S, СН

, HF). Атомы водорода присоединены к атому кислорода, образуя угол 104,45° (104°27?). Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По этой причине молекула воды обладает большим дипольным моментом (р=1,84Д, уступает только синильной кислоте и диметилсульфоксиду). Каждая молекула воды образует до четырёх водородных связей – две из них образует атом кислорода и две – атомы водорода[115 - Ларионов А. К. Занимательная гидрогеология. – Москва: Недра, 1979. – С. 5–12. – 157 с.]. Количество водородных связей и их разветвлённая структура определяют высокую температуру кипения воды и её удельную теплоту парообразования

. Если бы не было водородных связей, вода, на основании места кислорода в таблице Менделеева и температур кипения гидридов аналогичных кислороду элементов (серы, селена, теллура), кипела бы при -80 °C, а замерзала при -100 °C[116 - Петрянов И. В. Самое необыкновенное вещество // Химия и жизнь. – 1965. – № 3. – С. 2–14.].

71 % поверхности Земли покрывает вода

При переходе в твёрдое состояние молекулы воды упорядочиваются, при этом объёмы пустот между молекулами увеличиваются, и общая плотность воды падает, что и объясняет меньшую плотность (больший объём) воды в фазе льда. При испарении, напротив, все водородные связи рвутся. Разрыв связей требует много энергии, отчего у воды самая большая удельная теплоёмкость среди прочих жидкостей и твёрдых веществ. Для того чтобы нагреть один литр воды на один градус, требуется затратить 4,1868 кДж энергии. Благодаря этому свойству вода нередко используется как теплоноситель.

Помимо большой удельной теплоёмкости, вода также имеет большие значения удельной теплоты плавления (333,55 кДж/кг при 0 °C) и парообразования (2250 кДж/кг).

Физические свойства разных изотопных модификаций воды при различных температурах:[117 - Physics of Ice (15 страница).]

Относительно высокая вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.

Капля, ударяющаяся о поверхность воды

Вода является хорошим растворителем веществ с молекулами, обладающими электрическим дипольным моментом. При растворении молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные – атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.

Это свойство воды важно для живых существ. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде[118 - Молекулярные преобразователи энергии в живой клетке (Тихонов А. Н., 1997). Дата обращения: 24 ноября 2007.]. Вода необходима для жизни всех без исключения живых существ на Земле.

Вода обладает отрицательным электрическим потенциалом поверхности.

Чистая вода – хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована на ионы и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония Н

О

) и гидроксильных ионов ОН

составляет Ю

моль/л. Но поскольку вода – хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные вещества, например, соли, то есть в растворе присутствуют другие положительные и отрицательные ионы. Поэтому обычная вода хорошо проводит электрический ток. По электропроводности воды можно определить её чистоту.

Вода имеет показатель преломления п = 1,33 в оптическом диапазоне. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, чем обусловлен нагрев пищевых продуктов в микроволновой печи.

Агрегатные состояния

По состоянию различают:

• «твёрдое» – лёд;

• «жидкое» – вода;

• «газообразное» – водяной пар.

При нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст., 101 325 Па) вода переходит в твёрдое состояние при температуре в 0 °C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C (значения 0 °C и 100 °C были выбраны как соответствующие температурам таяния льда и кипения воды при создании температурной шкалы «по Цельсию»), При снижении давления температура таяния (плавления) льда медленно растёт, а температура кипения воды – падает.

Фазовая диаграмма воды: по вертикальной оси – давление в Па, по горизонтальной – температура в Кельвинах. Отмечены критическая (647,3 K; 22,1 МПа) и тройная (273,16 K; 610 Па) точки. Римскими цифрами отмечены различные структурные модификации льда

При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такие давление и температура называются тройной точкой воды. При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки (сублимации) льда падает со снижением давления. При высоком давлении существуют модификации льда с температурами плавления выше комнатной.

Типы снежинок

С ростом давления температура кипения воды растёт:[119 - Воскресенский П. И. Техника лабораторных работ. 9-е изд. – Л.: «Химия», 1970. – С. 696–697.]

При росте давления плотность насыщенного водяного пара в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды – падает. При температуре 374 °C (647 К) и давлении 22,064 МПа (218 атм) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоком давлении и/или температуре исчезает разница между жидкой водой и водяным паром. Такое агрегатное состояние называют «сверхкритическая жидкость».

Вода может находиться в метастабильных состояниях – пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, можно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0 °C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.

Также, вода может существовать в виде двух разных жидкостей («вторая вода» возникает при температуре около -70 °C и давлении в тысячи атмосфер), которые при определённых условиях даже не смешиваются друг с другом; гипотеза, что вода может существовать в двух различных жидких состояниях, была предложена примерно 30 лет назад на основе результатов компьютерного моделирования и экспериментально проверена только в 2020 г.[120 - Невероятно: у воды есть два жидких состояния. Архивная копия от 27 ноября 2020 на Wayback Machine // Вести. ру, 21 ноября 2020.]

Удельная теплоёмкость

Теплоёмкость льда, воды, и водяного пара при различных давлениях

Эти данные можно аппроксимировать уравнением

C

(t) = 4219,7 + 0,009356 ? t

– 9,2788 ? ?t {0 ? t ? 100 °C}[121 - Теплоёмкость воды desmos. Desmos. Дата обращения: 30 мая 2022.].

Диэлектрическая проницаемость воды

Статическая (для постоянного электростатического поля) диэлектрическая проницаемость воды при разной абсолютной температуре при давлении 1 бар в диапазоне температур -13… 100 °C выражается эмпирической формулой[122 - аппроксимация диэлектрической проницаемости. Дата обращения: 16 ноября 2021. Архивировано 16 ноября 2021 года.]

? (T) = 253,0390655 – 0,810393675889 ? T + 0,000753946922643 ? T

;

P = 1 bar; 260 K ? T ? 373,15 K.

Результаты вычислений по этой формуле[123 - look at page 1162. Дата обращения: 16 ноября 2021. Архивировано 16 ноября 2021 года.]:

Оптические свойства

Они оцениваются по прозрачности воды, которая, в свою очередь, зависит от длины волны излучения, проходящего через воду. Вследствие поглощения оранжевых и красных компонентов света вода приобретает голубоватую окраску. Вода прозрачна только для видимого света и сильно поглощает инфракрасное излучение, поэтому на инфракрасных фотографиях водная поверхность всегда получается чёрной. Ультрафиолетовые лучи легко проходят через воду, поэтому растительные организмы способны развиваться в толще воды и на дне водоёмов, инфракрасные лучи проникают только в поверхностный слой. Вода отражает 5 % солнечных лучей, в то время как снег – около 85 %. Под лёд океана проникает только 2 % солнечного света.

Изотопные модификации

И кислород, и водород имеют природные и искусственные изотопы. В зависимости от типа изотопов водорода, входящих в молекулу, выделяют следующие виды воды:

• лёгкая вода (основная составляющая привычной людям воды) Н

О;