Vatten är ett ovanligt ämne som förtjänar en detaljerad studie. Den sovjetiske akademikern I. V. Petryanov skrev en bok om detta fantastiska ämne, The Most Unusual Substance in the World. Vilka anomalier i vattnets fysikaliska egenskaper är av särskilt intresse? Tillsammans kommer vi att leta efter svaret på denna fråga.
Intressanta fakta
Vi tänker sällan på innebörden av ordet "vatten". På vår planet är mer än 70% av det totala området ockuperat av floder och sjöar, hav och hav, isberg, glaciärer, träsk, snö på bergstoppar, såväl som permafrost. Trots en sådan enorm mängd vatten är bara 1 % drickbart.
Biologisk betydelse
Kroppen består av 70–80 % vatten. Detta ämne säkerställer flödet av alla vitala processer, i synnerhet tack vare det avlägsnas toxiner från det, celler återställs. Vattnets huvudsakliga funktion i en levande cellär strukturell och energi, med en minskning av dess kvantitativa innehåll i människokroppen "krymper den".
Det finns inget sådant system i en levande organism som skulle kunna fungera utan H2O. Trots vattnets anomalier är det en standard för att bestämma mängden värme, massa, temperatur, höjd.
Grundläggande begrepp
H2O - väteoxid, som innehåller 11,19 % väte, 88,81 % syre i vikt. Det är en färglös vätska som varken har lukt eller smak. Vatten är en viktig komponent i industriella processer.
För första gången syntetiserades detta ämne i slutet av 1700-talet av G. Cavendish. Forskaren exploderade en blandning av syre och väte med en elektrisk ljusbåge. G. Galileo analyserade först skillnaden i tätheten av is och vatten 1612.
År 1830 skapades en ångmaskin av de franska forskarna P. Dulong och D. Arago. Denna upptäckt gjorde det möjligt att studera sambandet mellan mättnadsångtryck och temperatur. År 1910 upptäckte den amerikanske vetenskapsmannen P. Bridgman och tysken G. Tamman flera polymorfa modifieringar i is vid högt tryck.
År 1932 upptäckte de amerikanska forskarna G. Urey och E. Washburn tungt vatten. Anomalier i ämnets fysikaliska egenskaper upptäcktes på grund av förbättringar av utrustning och forskningsmetoder.
Några motsägelser i fysiska egenskaper
Rent vatten är en klar, färglös vätska. Dess densitet när den omvandlas till en vätska frånfast materia ökar, detta manifesterar en anomali i vattnets egenskaper. Att värma det från 0 till 40 grader leder till en ökning av densiteten. Hög värmekapacitet bör noteras som en anomali av vatten. Kristallisationstemperaturen är 0 grader Celsius och kokpunkten är 100 grader.
Molekylen i denna oorganiska förening har en vinkelstruktur. Dess kärnor bildar en likbent triangel med två protoner vid basen och en syreatom i spetsen.
Densitetsavvikelser
Forskare har kunnat identifiera ett fyrtiotal egenskaper som är karakteristiska för H2O. Vattenanomalier förtjänar noggrann övervägande och studier. Forskare försöker förklara orsakerna till varje faktor, för att ge den en vetenskaplig förklaring.
Anomalien i vattnets densitet ligger i det faktum att detta ämne har sitt maximala densitetsvärde från +3, 98°C. Med efterföljande kylning, överföring från flytande till fast tillstånd, observeras en minskning av densiteten.
För andra föreningar minskar densiteten i vätskor med sjunkande temperatur, eftersom en ökning av temperaturen bidrar till en ökning av molekylernas kinetiska energi (deras rörelsehastighet ökar), vilket leder till ökad sprödhet hos ämnet.
Med tanke på sådana anomalier i vatten bör det noteras att det också tenderar att öka i hastighet med ökande temperatur, men densiteten minskar endast vid förhöjda temperaturer.
Efter att ha minskat tätheten av is kommer den att ligga på vattenytan. Detta fenomen kan förklaras av att molekylerna i kristallen har en regelbunden struktur, som har en rumslig periodicitet.
Om vanliga föreningar har molekyler tätt packade i kristaller, försvinner regelbundenheten efter att ämnet smälter. Ett liknande fenomen observeras endast när molekylerna är belägna på betydande avstånd. Minskningen i densitet under smältning av metaller är ett försumbart värde, uppskattat till 2-4%. Vattentätheten överstiger isens densitet med 10 procent. Således är detta en manifestation av vattenanomali. Kemi förklarar detta fenomen med en dipolstruktur, såväl som en kovalent polär bindning.
Kompressibilitetsavvikelser
Låt oss fortsätta prata om vattnets egenskaper. Det kännetecknas av ovanligt temperaturbeteende. Dess kompressibilitet, det vill säga volymminskningen, när trycket ökar, kan mycket väl betraktas som ett exempel på en anomali i vattnets fysikaliska egenskaper. Vilka specifika egenskaper bör noteras här? Andra vätskor är mycket lättare att komprimera under tryck, och vatten får sådana egenskaper endast vid höga temperaturer.
Temperaturbeteende för värmekapacitet
Denna anomali är en av de starkaste för vatten. Värmekapaciteten talar om hur mycket värme som behövs för att höja temperaturen med 1 grad. För många ämnen, efter smältning, ökar vätskans värmekapacitet med högst 10 procent. Och för vatten efter issmältningen fördubblas denna fysiska kvantitet. Inget av ämnenaingen sådan ökning av värmekapaciteten registrerades.
I is används energin som tillförs den för uppvärmning mestadels på att öka molekylernas rörelsehastighet (kinetisk energi). En betydande ökning av värmekapaciteten efter smältning tyder på att andra energikrävande processer sker i vatten som kräver värmetillförsel. De är orsaken till den ökade värmekapaciteten. Detta fenomen är typiskt för hela temperaturområdet där vatten har ett flytande aggregationstillstånd.
Så fort det övergår i ånga försvinner anomalien. För närvarande är många forskare engagerade i analysen av egenskaperna hos underkylt vatten. Det ligger i dess förmåga att förbli flytande under kristallisationspunkten på 0°C.
Det är fullt möjligt att superkyla vatten i tunna kapillärer, såväl som i ett opolärt medium som små droppar. En naturlig fråga uppstår om vad som observeras med täthetsanomali i en sådan situation. När vattnet blir underkylt minskar vattnets densitet avsevärt, det tenderar mot isdensiteten när temperaturen minskar.
Skäl till utseende
När man frågar: "Nämn vattenavvikelserna och beskriv deras orsaker", är det nödvändigt att associera dem med omstruktureringen av strukturen. Arrangemanget av partiklar i strukturen av något ämne bestäms av egenskaperna hos det ömsesidiga arrangemanget av partiklar (atomer, joner, molekyler) i det. Vätekrafter verkar mellan vattenmolekyler, som tar bort denna vätska från beroendet mellan kokpunkt och smältpunkt,kännetecknande för andra ämnen som är i flytande aggregationstillstånd.
De uppträder mellan molekylerna i en given oorganisk förening på grund av särdragen hos elektrondensitetsfördelningen. Väteatomer har en viss positiv laddning, medan syreatomer har en negativ. Som ett resultat har vattenmolekylen formen av en vanlig tetraeder. En liknande struktur kännetecknas av en bindningsvinkel på 109,5°. Det mest fördelaktiga arrangemanget är placeringen av syre och väte i samma linje, med olika laddningar, därför kännetecknas vätebindningen av en elektrostatisk natur.
Så, vattnets ovanliga (anomala) egenskaper är en konsekvens av den speciella elektroniska strukturen hos dess molekyl.
Memory of water
Det finns en uppfattning om att vatten har ett minne, kan ackumuleras och överföra energi och matar kroppen med virtuell information. Under lång tid har den japanska forskaren Masaru Emoto hanterat detta problem. Dr. Emoto publicerade resultaten av sin forskning i boken Messages from Water. Forskarna genomförde experiment där han först frös en droppe vatten vid 5 grader och sedan analyserade strukturen av kristallerna under ett mikroskop. För att registrera resultaten använde han ett mikroskop i vilket en kamera byggdes.
Som en del av experimentet påverkade Masau Emoto vatten på olika sätt, sedan fryste det igen och tog fotografier. Han lyckades få fram förhållandet mellan formen på iskristaller och musik,som vattnet lyssnade på. Överraskande nog spelade vetenskapsmannen in de mest harmoniska snöflingorna med klassisk musik och folkmusik.
Användningen av modern musik, enligt Masau, "förorenar" vattnet, så de var fixerade kristaller med oregelbunden form. Ett intressant faktum är en japansk vetenskapsmans identifiering av förhållandet mellan formen på kristaller och mänsklig energi.
Vatten är det mest fantastiska ämne som finns i stora mängder på vår planet. Det är svårt att föreställa sig någon verksamhetssfär för en modern person där hon inte skulle ta en aktiv del. Mångsidigheten hos detta ämne bestäms av anomalier som orsakas av vattnets tetraedriska struktur.
