Физические свойства воды.

Основные физические свойства воды зависят в первую очередь от таких факторов окружающей среды, как давление и температура. Тепловая среда вообще чрезвычайно важна для воды: с температурой связаны прибывание и переход в различные агрегатные состояния воды. Интересные свойства воды заключаются, в частности, в том, что абсолютно чистая, то есть не содержащая примесей и растворённых веществ, вода может пребывать в так называемых метастабильных состояниях. Например, тепловые свойства воды позволяют чистой воде не замерзать до температуры ниже «минус 30» градусов по Цельсию или оставаться в жидком состоянии, нагреваясь до 200 градусов по Цельсию. Однако такие метастабильные состояния крайне неустойчивы, к тому же абсолютно чистая вода в естественных условиях практически не встречаются. Так что расчёт теплофизических свойств воды осуществляется, за исключением особых случаев, исходя из стандартных рубежей — 0 градусов как температура замерзания, 100 градусов как температура кипения.

Разумеется, теплофизические свойства воды далеко не единственные характеристики этого уникального вещества. Существует таблица физических свойств воды, в которой содержатся подробные сведения о ней. Например, можно узнать, что особые свойства воды делают её хорошим изолятором, то есть она очень плохо пропускает электрический ток. Но речь идёт об абсолютно чистой воде — обыкновенная же вода, имеющая в себе множества различных растворённых веществ, является хорошим электрическим проводником. Кроме того, в таблице содержатся такие показатели, как, к примеру, скорость звука, которая в воде при температуре 20 градусов составляет 1482,7 метра в секунду (для сравнения — скорость звука в воздухе составляет 331 метр в секунду).

Таким образом, каждая молекула воды может образовать четыре водородных связи — с участием двух несвязанных электронных пар атома кислорода и двух поляризованных атомов водорода. Многие свойства воды аномальны, что как раз и вызвано особенностями строения молекулы воды.. Так, вода имеет наибольшую теплоемкость среди жидкостей – 4,1868 кДж/кг, что почти вдвое превышает таковую растительных масел, ацетона, фенола, глицерина, спирта, парафина; и она в 10 раз больше, чем у железа. У воды от 0оС до 37оС градусов теплоемкость снижается, а с 37оС градусов и выше – растет. Получается, что легче всего она нагревается и быстрее всего охлаждается при температуре 37оС градусов.Эта особенность пока не объяснена, однако совпадение с нормальной температурой здорового человека (36,6оС –37,0оС) невольно наводит на размышления. Предположим, если бы вода не обладала этим удивительным качеством, что бы произошло с человеком, состоящим в большем объеме из воды. Тогда бы просто столь высокоорганизованная система не была защищена от воздействия высоких температур. Вряд ли целебные свойства бани  были бы здесь уместны. Уже при 42оС градусах белок необратимо разрушается. Остается только восхищаться, что вода дала человеку наилучший режим теплового саморегулирования.

Аномально изменяется и плотность воды при нагревании-охлаждении. При понижении температуры от 100оС до 4оС вода непрерывно сокращается в объеме, и ее плотность составляет порядка 1 г/мл. Но после пересечения границы 4оС наступает обратное явление. При кристаллизации плотность воды резко уменьшается (почти на 9%). Таким образом, единица объема воды при 4оС весит больше, чем при 0оС. При охлаждении ниже четырех градусов образуется лед, он всплывает, но под ним всегда остается вода. Создается некий термос жизнеобеспечения. Не обладай этим свойством вода, все естественные хранилища воды промерзли бы, и все живое исчезло.

Все эти особенности связаны с наличием водородных связей. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По причине этого, а также того, что ион водорода не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. Благодаря этому, каждый атом кислорода притягивается к атомам водорода других молекул и наоборот. Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырёх водородных связях: 2 атома водорода — каждый в одной, а атом кислорода — в двух; в таком состоянии молекулы находятся в кристалле льда. При таянии льда часть связей рвётся, что позволяет уложить молекулы воды плотнее; при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность её растёт, но при температуре выше 4°С этот эффект становится слабее, чем тепловое расширение. При испарении рвутся все оставшиеся связи. Разрыв связей требует много энергии, отсюда высокая температура и удельная теплота плавления и кипения и высокая теплоёмкость. Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.

По сходным причинам вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая 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 используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде. Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.

Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60% парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действия микроволновой печи.

Как уже упоминалось, именно вода обеспечивает нормальное существование планеты, влияя на климат и жизнедеятельность организмов. Но это вещество на самом деле является уникальным. Именно эти удивительные свойства воды обеспечивают жизнь.

Мы говорили, что при замерзании вода расширяется примерно на 9%. Такая особенность воды вызывает естественную коррозию горных пород. С другой стороны, трубы водопровода именно поэтому разрываются при неожиданном похолодании. Но это далеко не все интересные свойства воды. Еще одна ее уникальная особенность – это аномально высокая теплоемкость. Например, того количество тепла, которое необходимо для нагревания одного грамма воды на один градус, хватит, чтобы разогреть примерно на порядок больше меди или железа. Весь мировой океан – это глобальный термостат, который сглаживает колебания температуры, причем как суточные, так и годовые. Кстати, этими же свойствами наделен и водяной пар, который содержится в атмосфере. Ни для кого не секрет, что для пустыни характерны резкие температурные изменения – днем слишком жарко, а в ночное время очень холодно. Это связано как раз с сухим воздухом и отсутствием необходимого количества водяного пара.