Вода – вещество удивительное.
Физические свойства воды.
При нормальных условиях вода – бесцветная, прозрачная жидкость без запаха и вкуса. Она абсолютно безопасна и нетоксична для здоровья человека. При охлаждении до 0 градусов Цельсия вода переходит в твердое состояние – лед, который может преобразовываться в снег или иней. При нагревании до 100 градусов она превращается в пар.
Давным давно в период расцвета алхимии многие исследователи пытались найти универсальный алкагест, так они называли вещество, которое якобы может растворять абсолютно все. Правда, скептики советовали испытателям вначале найти вещество, из которого будет изготовлен сосуд для хранения такого алкагеста. Данных о том, что такое вещество было найдено, увы, не сохранилось. Но часто люди ищут то, что находится прямо у них перед глазами. Вода считается одним из самых лучших растворителей на Земле. Да, она не растворяет абсолютно все вещества, но практически все, можно сказать с уверенностью.
Чистая вода при нормальных условиях очень плохо проводит электрический ток, т.е. имеет низкую электропроводность. При нагревании электропроводность возрастает и приблизительно удваивается при увеличении температуры на каждые 10 градусов. Но электропроводность воды резко возрастает при добавлении даже ничтожного количества вещества. Поэтому обычная вода хорошо проводит электрический так, так как в ней содержится те или иные растворенные вещества, например соли.
Водородная связь.
На уроках я часто задавала вопрос: «Как вы думаете, почему вода жидкая?» Ведь если бы она находилась на нашей матушке-Земле в другом агрегатном состоянии, как основном, то и жизни в том виде, в котором она существует сейчас, не было бы. А все дело в наличии водородных связей между ее молекулами. Обычно мы изображаем состав воды химической формулой H2O. Однако это не совсем точно. Правильнее было его обозначать формулой (H2O)n, где n = 2,3,4 и т. д., так как водные молекулы связаны между собой водородными связями.
Связь, образующаяся между атомом водорода одной молекулы и атомом сильно электроотрицательного элемента (O, N, F) другой молекулы, называется водородной связью. Может возникнуть вопрос: почему именно водород образует такую специфическую химическую связь?
Дело в том, что атомный радиус водорода очень мал. Кроме того, при смещении или полной отдаче своего единственного электрона он приобретает сравнительно высокий положительный заряд, за счет которого водород одной молекулы взаимодействует с атомами электроотрицательных элементов с частичными отрицательными зарядами других молекул (HF, H2 O, NH3). В молекуле воды обе валентности атома кислорода насыщены и, казалось бы, между двумя молекулами воды никакой дополнительной связи возникнуть не может. Но когда атом водорода со своим высоким положительным зарядом одной молекулы воды приближается к атому кислорода другой молекулы, то между протоном и электронной оболочкой кислорода начинает действовать сила дополнительного притяжения, и образуется водородная связь. Надо не забывать, что у атома кислорода есть две свободные электронные пары, играющие важную роль во взаимодействии с положительно заряженным протоном другой молекулы. Саму молекулу воды называют диполем, т.е. молекула, имеющая два полюса, такой маленький природный магнитик. Вот водные магнитики и притягиваются друг к другу разными полюсами.
Водородную связь принято обозначать точками. Такие связи раз в двадцать слабее обычных, но все же роль их огромна, многие ее удивительные свойства воды определяются именно водородными связями.
Водородная связь между молекулами H2O является причиной проявления водой некоторых аномальных свойств. Плотность воды при переходе из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как у большинства веществ, а возрастает. Это объясняется тем, что в твердом состоянии молекулы воды также соединены водородными связями, образуя ажурную структуру с множеством пустот, причем объемы пустот между молекулами воды в твердом состоянии увеличиваются. При плавлении льда примерно 15% водородных связей разрываются, что приводит к сокращению объема воды. При продолжении нагревания происходит дальнейший разрыв водородных связей, способствующий увеличению плотности и росту кинетической энергии молекул воды (молекулы воды движутся быстрее), что приводит к снижению плотности.
При 4°С действия этих двух эффектов уравниваются, а при дальнейшем нагревании уже преобладает эффект увеличения кинетической энергии, что и приводит к снижению плотности воды. Таким образом, при 4°С плотность воды максимальна. Если бы максимум плотности был при 0°С, то поверхностные слои воды при охлаждении сверху опускались бы на дно, уступая место менее холодным слоям, и водоемы быстро замерзали бы на всю глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. В действительности замерзший слой воды является более легким и остается на поверхности, значительно замедляя дальнейшую кристаллизацию. Поэтому большинство водоемов зимой не промерзает до дна.
Еще одно интересное явление дарит нам вода - способность к сублимации. Если вынести кусок люда на улицу при – 5 градусах и оставить его там, то через некоторое время мы заметим, что он уменьшился в размерах. Таяния нет, на улице холодно, поэтому вода не образуется, а кусок люда уменьшился. Сублимация – это переход вещества из твердой фазы (лед) в газообразную (пар), минуя жидкую. Этим объясняется тот факт, что мокрое белье, вынесенное на морозный воздух высыхает. Сублимации подвержены многие вещества, например, углекислый газ, йод, нафталин, камора и другие. Но углекислый газ при нормальных условиях – газ, йод - твердое вещество, у этих веществ нет жидкой фазы, не удивительно, что при нагревании они минуют жидкую фазу. Вода – это исключение, так как она имеет все три агрегатных состояния и тем не менее, лед, как твердое вещество может испаряться, превращаясь сразу в пар, минуя жидкость.
У сублимации есть и противоположный процесс – десублимация, т.е. превращение пара в твердое вещество, снова минуя жидкость. Примерами десублимации служат такие атмосферные явления как образование инея на поверхности земли, изморози на ветвях деревьев, проводах, красивых узоров зимой на стеклах. Это водяные пары, присутствующие в воздухе, соприкасаясь с более холодными поверхностями, превращаются в твердое вещество- снег, иней, лед.
Вода кипит при аномально высокой температуре. На разрыв водородных связей при переходе из жидкого в газообразное состояние необходимо затратить значительную энергию. При отсутствии водородных связей точка кипения воды лежала бы не при 100°С, а при – 80°С. Тогда бы на Земле не было водоемов, а значит, и многих форм жизни.