Загадки воды

Загадки воды

Существование нашей планеты немыслимо без воды, именно благодаря ей зародилась жизнь на Земле. Образованию белковых веществ – основы простейших организмов – способствовали растворенные в морской воде углеводы и аммиак, которые под воздействием мощных электрических разрядов и достаточно высокого давления контактировали с некоторыми минералами. К.Э. Циолковский считал, что несовершенные и хрупкие первоорганизмы могли выжить только в водной среде, а атмосфера и суша – это лишь последующие области жизни живого.

В составе всего живого – органические вещества и вода, однако без первых человек может жить 2-3 недели, а без воды – всего-навсего 2-3 суток. Что бы жизнедеятельность человека протекала нормально, он должен употреблять воды в 2 раза больше по весу, чем вводимые питательные вещества. Потеря организмом всего лишь 10% воды может привести к летальному исходу. Вода – составляющая не только организма человека (в организме взрослых – 60-65%, новорожденных – 75%), но и других живых существ. Так, в организмах животных и растений воды более 50%, в теле медузы – не менее 90%, в морских водорослях – 95-99%, а вот в семенах и спорах лишь 7-15%. Даже в почве содержится не менее 20% воды. Не одинаково и содержание воды в разных частях человеческого организма: в эмали зубов — 0,2%, в скелете — 22%, в жировой ткани — 29%, в крови – 83%, а стекловидное тело глаза и вовсе на 99% состоит из воды.

В доисторический период водная оболочка Земли была значительно меньшей, нежели теперь, составляя приблизительно 1/10 от воды, находящейся в реках и водоемах в наше время. Откуда же взялись остальные, дополнительные 90% воды? Дело в том, что вода содержится не только в атмосфере и океанах, но и в недрах Земли. По подсчетам специалистов воды, находящейся в мантии Земли в 10-12 раз больше, нежели в Мировом океане. В процессе развития планеты часть именно этой воды «высвобождалась» и теперь является составляющей водной оболочки Земли. Мировой океан, имеющий среднюю глубину 4 км, сегодня покрывает около 71% земной поверхности, в нем содержится 97,6% мировых запасов несвязанной воды, известных ученым.

Ледники – своеобразные гигантские хранилища влаги, в них сконцентрировано до 2,1% запасов воды мира. Известно, что таяние всех ледников на планете неизбежно приведет к повышению уровня вод в мировом океане на 64 м и к затоплению 1/8 суши. Этот процесс в наше время значительно активизировался. А ведь в ледниковый период толщина льда в горах Канады, Европы и Сибири достигала 2 км!

Из 100% водяного пара, поступающего в атмосферу 86% поступает благодаря испарению воды с поверхности океанов и морей и только 14%– благодаря за испарению с поверхности суши. Как результат в атмосфере находится 0,0005% всеобщего запаса свободной воды, а вот процент водяного пара в составе околоземного воздуха нестабилен и составляет 2% в том случае, если создаются практически идеальные для этого условия. Но, даже не смотря на это, если принять кинетическую энергию воздушных течений за 100%, кинетическая энергия движения воды в морях — не более 2%. Причина данного явления проста. Больше, чем 1/3 тепла Солнца, которое поглощается планетой, тратится на испарение, а значит, переходит в атмосферу.

Еще один источник энергии, поступающей в атмосферу, поглощение ей проходящего солнечного излучения с его последующим отражением от поверхности земли. Энергия Солнца и атмосферы, которая проходит через поверхность воды, уменьшается в интенсивности примерно на 50% уже в верхнем полуметре воды, поскольку поглощение в инфракрасной части спектра довольно сильное.

Жизнь всего живого зависит от того факта, что наибольшая плотность воды отмечается при температуре 4°C. Данное явление легко объяснимо. Охлаждение пресных водоемов зимой, связанное с постепенным понижением температуры поверхностных слоев, провоцирует опускание вниз более плотных масс воды и подъем на их место менее плотных и более теплых масс. Конвекция происходит до того момента, пока температура воды в глубинных слоях не составит 4°C, то есть, пока в придонных районах не очутится более тяжелая вода. После этого охлаждаются лишь поверхностные слои воды – так образуется лед в поверхностном слое водоемов, а жизнь в водоемах, покрытых льдом, не прекращается.

Известны также понятия вертикального и плотностного перемешивания воды. Действие ветра, приливно-отливные силы, а также изменение плотности по высоте способствуют вертикальному перемешиванию морской воды. Но под воздействием ветра вода перемешивается сверху вниз, а приливов – наоборот. Плотностное перемешивание происходит благодаря охлаждению поверхностных вод. Глубина распространения приливного и ветрового перемешивания составляет 50 м, плотностное перемешивание сказывается лишь на значительных глубинах.

Для нормального развития жизни необходимо постоянное освежение, обогащение питательными веществами и кислородом поверхностных и придонных вод, которое зависит от такого физического явления, как интенсивность перемешивания. Воздух атмосферы менее богат кислородом, нежели воздух, растворенный в воде и необходимый для протекания в ней жизненных процессов. Повышенное количество кислорода в растворенном воздухе приводит к коррозии (разрушению) погруженных в воду металлов.

Чистая вода, замерзая, расширяется почти на 10%, морской лед – на меньшую величину. Свойство воды расширяться при замерзании, приводит к тому, что повышение давления извне уменьшает температуру ее замерзания, и наоборот, температура плавления льда с возрастающим давлением также возрастает. Лабораторные опыты показали, что при давлении более 40 000 атмосфер возможно получить лед, температура плавления которого — 175°C. Среди других свойств льда – уменьшение его теплоты и теплоемкости при уменьшении температуры окружающей среды и отсутствие зависимости его теплопроводности от этого фактора. Лед, толщина которого на поверхности водоема составляет 15 см – отличный теплоизолятор между воздухом и водой.

Температура замерзания воды в море –1,91°C. Если температура будет понижаться и далее (до –8,2°C) произойдет осаждение сернокислого натрия, и, наконец, при температуре – 23°C из морской воды выпадает хлористый натрий. При кристаллизации часть рассола уходит изо льда, поэтому его соленость ниже, чем соленость морской воды. Морской лед, намерзающий в течение нескольких лет, опресняется настолько, что становится пригодным для получения питьевой воды. Значительная конвекция, которая охватывает толщу морской воды и затрудняет замерзание, связана с тем, что температура максимальной плотности воды в море ниже, чем температура ее замерзания. Среди наиболее теплоемких веществ, известных науке, в порядке убывания следует назвать водород, жидкий аммиак и, конечно же, воду.

Известны случаи замерзания воды и при плюсовой температуре, в почвенных капиллярах или в трубопроводах, например. В последних такое явление может происходить даже при температуре +20°C. Это происходит в связи с присутствием в воде метана, молекулы которого занимают объем приблизительно в 2 раза больший, нежели молекулы воды. Эти молекулы как будто «раздвигают» молекулы воды, увеличивают дистанцию между ними, что, в свою очередь, ведет к снижению внутреннего давления и росту температуры замерзания. Аналогичную роль в почвенной влаге играют молекулы белка, за счет которых температура замерзания воды в почвенных капиллярах может увеличиться до +4,4°C.

Снежинки обычно имеют форму 6-ти или 12-тилучевых звезд, 6-тигранных призм и 6-тиугольных пластинок. Снижение температуры воздуха провоцирует уменьшение размеров образующихся кристаллов и в то же время возрастание разнообразия их форм. Кристаллы в воздухе растут также в том случае, если в нем содержится водяной пар.

Факт, что вода в море соленая, известен, пожалуй, даже детям. Но далеко не все знают, что концентрация растворенных в ней солей в разных океанах и морях отнюдь не одинакова. Средняя соленость мирового океана — 35%; соленость воды в морях колеблется от нуля вблизи устий крупных рек до 40% в морях тропических широт. Предназначенная для питья вода должна содержать как минимум 0,05% растворенных в ней солей. Но в то же время растения при наличии в воде, которой их поливают, более 0,25% солей в виде примеси погибают.

Жидкости, существующие в природе, можно разделить на ассоциированные (их молекулы объединяются в группы, которые так же называют ассоциациями) и нормальные (молекулы которых в ассоциации (группы) не объединяются). Вода — яркий представитель жидкостей ассоциированных, ведь будь иначе, она закипала бы при температуре 103°C, а нормальной температурой плавления льда была бы +1,43°C.

Известно, что теплоемкость жидкостей увеличивается при повышении температуры, но когда температура воды приближается к +35°C ее теплоемкость после стремительного роста спадает до минимума, а после опять переходит к постепенному увеличению. Причина данного явления – разрушение при такой температуре молекулярных ассоциаций, следовательно – упрощение молекулярной структура. А чем молекулярная структура проще, тем теплоемкость вещества меньше.

Вода из всех известных науке жидкостей имеет наибольшую теплоемкость, а потому оказывает значительное влияние на климат, терморегуляторы которого — воды морей и океанов. Они аккумулируют тепло летом, возвращая его зимой. Вот почему резко континентальный климат возникает в тех местностях, где отсутствуют водоемы. Преобладание на суше осадков над испарением, вследствие чего растения и животные получают необходимый им запас воды, также происходит благодаря океанам.

Помимо этого, воздушная и водная оболочка нашей планеты находятся в состоянии постоянного обмена углекислотой с различными породами, животным и растительным миром, а это – залог стабильности климата.

Находящиеся на поверхности жидкости молекулы, имеющие избыток потенциальной энергии, имеют свойство втянуться внутрь до такой степени, что бы на поверхности их осталось минимальное количество. Благодаря этому вдоль поверхности жидкости всегда действует сила, стремящаяся сократить поверхность. Описанное явление было названо физиками поверхностным натяжением жидкости.

Поверхностное натяжение воды занимает 2е место после ртути, с этим ее качеством связано и ее смачивающее свойство, то есть способность как будто «прилипать» к поверхности различных твердых тел. Помимо этого, вода — универсальный растворитель. Теплота ее кристаллизации уступает только аммиаку, а теплота испарения – выше, чем у любой другой жидкости.

Науке известно шесть изотопов кислорода, из которых 3 – радиоактивны, а три (О17, О16 и О18)- стабильны. Испаряясь, в водяной пар как правило переходит изотоп О16, а вода, которая не испарилась обогащается изотопами О18 и О17. Содержание изотопов в разной воде не одинаково. Так, в морской и океанической воде преобладают изотопы О16 и О18, а в речной — О17. Изотоп О18 содержится и в атмосферном воздухе, но его процент зависит от того, какое количество испарившейся воды попадает в атмосферу. В период оледенений, когда испарение с поверхности планеты было минимальным, в атмосфере содержалось и минимальное количество изотопа О18.

Из школьного курса химии мы знаем, что молекула воды представляет собой сочетание 2х атомов водорода и 1го атома кислорода. Но знаете ли вы, что в составе обычной (Н2О) воды также находиться незначительное количество воды тяжелой (D2O), а также минимальное количество сверхтяжелой воды (T2O). Молекулу тяжелой воды отличает то, что в ее составе вместо водорода (протия), входит его тяжелый изотоп дейтерий, в составе молекулы сверхтяжелой воды — еще более тяжелый изотоп водорода тритий. В природной воде на 1 000 молекул Н2О приходится 2 молекулы D2O и на 1 молекулу T2O – 1019 молекул Н2О.

Бесцветна, не имеющая запаха и вкуса, не усваивающаяся организмами – таковы характеристики тяжелой воды D2O. D2O замерзает при температруре 3,8°C, кипит при 101,42°C, а температура ее наибольшей плотности — 11,6°C. Медленное испарение D2O в сравнении с легкой водой приводит к тому, что она преобладает в озерах и морях тропических широт и практически отсутствует на полюсах.

Комбинация различных сочетаний стабильных изотопов кислорода и изотопов водорода позволяет получить различные разновидности молекул воды: Н2O17, Н2O16, HDO16, Н2O18, HDO17, TDO16, D2O16, HDO18, D2O17, T2O16, D2O18, T2O18, T2O17, THO16, THO18, THO17, TDO17, TDO18. Использование нестабильных изотопов кислорода O19, O15 и O14 позволяет получить 36 видов воды. Но чаще всего в природе встречаются молекулы, в структуре которых – наиболее распространенные изотопы. Так, в природной воде содержится 99,73% молекул H2O16, 0,2% молекул H2O18 и 0,04% — H2O17.

Вода и лед имеют некоторые важные оптические свойства. Так, вода способна поглощать инфракрасную радиацию и прозрачна лишь для видимых лучей. Этим и объясняется чернота водной поверхности на инфракрасных фотографиях. Полуметровый слой морской воды поглощает не весь проходящий через него свет, а лишь инфракрасные лучи. Нижние слои воды поглощают поочередно красный, желтый, сине-зеленый спектры света. Человек, находящийся в батискафе может видеть солнечный свет на глубине до 600-700 м.Признанный эталон прозрачности воды — Саргассово море, в котором белый диск можно разглядеть на глубине до 66,5 м, а дальность видимости в слое моря, близком к поверхности, составляетпримерно100 м если смотрет снизу вверх.

Отражение солнечного света водой в разных агрегатных состояниях значительно отличается. Так, океанический лед отражает 98% солнечных лучей, снег — 85%, вода – всего 5%.

Поскольку поглощение и рассеяние света в воде избирательно, чистая океанская вода имеет синий цвет. Если же поверхности моря освещается диффузно, при преобладании отраженного света море «приобретает» серый цвет. Интенсивность цвета усиливается при волнении и ряби на воде (менее с наветренное стороны и более с подветренной).

Жизнь растений во многом зависит от оптических свойств водяного пара, который способен активно поглощать инфракрасные лучи, длинна которых составляет 5,5-7 микрон, что крайне необходимо для защиты почвы от заморозков. От заморозков растения охраняют и такие природные явления, как образование тумана и выпадение росы, ведь в процессе конденсации влаги выделяется огромное количество тепла, позволяющее предохранить почву от дальнейшего охлаждения.

Физические свойства льда и воды издревле верно служат практической деятельности человека. Так, низкая электропроводность сухих льда и снега помогает прокладывать голые электрические провода прямо по льду. Кстати, на электропроводность воды значительное влияние оказывают различные примеси, но в отношении льда это правило не срабатывает. Морская вода может быть в тысячу раз менее электропроводной, чем пресная. Ведь в морской и океанской воде солей растворено гораздо больше, чем в речной.

Диэлектрическая проницательность – еще одна важная характеристика электрических свойств вещества. У воды она колеблется в пределах 79-81, у льда 3,26, у водяного пара показатель данной величины составляет 1,00705.

Вода – залог разумной жизни на земле, производственной деятельности людей.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *