Какие свойства воды не меняются
Рассмотрим виды агрегатного состояние воды: лед, водяной пар, вода и плазма. В связи с этим, различают воду по следующим состояниям:
- твёрдое состояние — лёд;
- жидкое состояние — вода;
- газообразное — водяной пар;
- плазма.
ТВЕРДОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДЫ
В таком виде вода, в данном случае лед, сохраняет свою форму и объем. Под воздействием температуры вода начинает менять состояние и превращаться в лед, т.е. замерзать. Различают два вида твердого состояния воды — это аморфное и кристаллическое. При аморфном состоянии атомы вещества хаотичны, а при кристаллическом — наоборот упорядочены.
ЖИДКОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДЫ
В этом состоянии у вещества неизменен его объем, но его форма меняется, т.е. лед превратился в воду, растекся, изменив форму, но объем остался неизменным. Жидкое состояние вещества подразделяют на 2 вида — состояние смеси (молоко, суспензия, кровь) и чистая вода. Кстати жидкости могут быть использованы в качестве растворителей, но тут существует до сих пор “зависшая” проблема-это произвольные изменения в скорости прохождения химическим реакций в водных растворах. Склоняются к тому, что вода различной структуры имеет различные как физические, так и биологические свойства, и определенными опытами это доказано.
В итоге структурные связи – это одна из причин аномальных свойств воды.
Таким образом, вода и лёд – самые удивительные минералы на Земле.
СОСТОЯНИЕ ГАЗА
В газообразном состоянии не сохраняется ни форма, ни объем. Еще это называют водяным паром. Он не имеет цвета, ничем не пахнет и безвкусен. Пар для глаз невидим, он в воздухе растворен, но его представить как конденсат, который появляется когда кипит вода в кастрюле, как туман, или как испарение при дыхании на холодном воздухе. Его концентрация растворимости зависит от таких показателей — давление, температура. Также он подразделяется на два агрегатных состояния — туман и пар, их показателем предельной концентрации является точка росы и насыщенный пар.
ПЛАЗМА
Плазма – это непривычный для нас газ — ионизированный, состояние воды, выявленное недавно. Как известно, что при нагревании вода превращается в пар/газ, а если продолжать и дальше повышать температуру полученного газа, то на выходе мы имеем плазму. Плазму можно наблюдать невооруженным глазом — это Солнце, вспышки молнии.
КАК МЕНЯЮТСЯ СОСТОЯНИЯ ВОДЫ
Под действием температуры и определенных внешних воздействий вода меняет свое состояние, происходит фазовый переход воды из одного состояния в другое. К фазовым переходам воды относятся такие процессы, как:
- Лёд-вода, иначе процесс плавления, при котором происходит переход вещества из твердого состояния в жидкое.
Чтобы понять, почему вода меняет свое состояние, нужно знать, что материя состоит из атомов, они в свою очередь группируются в молекулы. А молекулы постоянно движутся. Вот как раз эта энергия движения — кинетическая энергия, и задает состояние вещества. При постоянной температуре не происходит изменение объема и формы у твердых веществ, так как у них мало кинетической энергии. У жидких — объем прежний, но меняется форма, так как им хватает энергии для преодоления силы взаимного притяжения, что дает возможность им перемещаться. А вот у газа нет постоянной формы и объема, так как у его молекул очень много кинетической энергии и они абсолютно свободны в своих передвижениях. - Вода-лед, это процесс замерзания (кристаллизации) — жидкое вещество переходит в твердое. Рассмотрим процесс кристаллизации, он возможен, когда понижается температура. Когда молекулы теряют свое теплоту, то становятся менее подвижны, так как им не хватает энергии. Например, мы контейнер с водой поставили в морозильную камеру холодильника, и вода превратится в лед. Обратный процесс, нагревание льда приводит к таянию и смене состояния на жидкое. Если мы продолжим нагревать жидкость, то она при достижении точки кипения начнется превращаться в пар.
- Вода-пар (газо/парообразование), пар-вода (конденсация). По мере того, как происходит увеличения температуры воды, ускоряется испарение, и как вода достигнет температуры 100*С, она начинает закипать, в таком состоянии она больше не может принимать энергию не изменив свое состояние, в итоге происходит испарение. Кипение — это интенсивный процесс перехода воды в пар, а конденсация это процесс обратный. При конденсации же, процесс происходит наоборот, выделяется небольшое количество тепла в окружающую среду, и ее температура немного повышается.
- Лед-пар (минуя состояние воды), такой процесс получил название сублимация примером сублимации может послужить эксперимент с мокрой рубашкой, вывешенной на мороз — лед исчезнет с рубахи, превратившись в пар.
- Пар — лед, в итоге мы имеем десублимацию. При этом процессе выделяется энергия. Примером может послужить морозный узор на стеклах.
- Газ-плазма. Для этого необходимо ионизировать газ. Степень ионизации зависит от количества атомов и от температуры.
Статью проверил и отредактировал Papa Vlada.
Первоисточник статьи опубликован на сайте про воду.
Источник
12.08 2009, 15:52 РИА «Новости»
Аномальные свойства воды, определяющие, в том числе и наличие жизни на Земле — её переменная плотность, высокая теплоемкость и большое поверхностное натяжение, объясняются двумя типами структур, в которые самоорганизуются молекулы жидкости, уверены авторы нового исследования, опубликованного в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Ученым давно были известны 66 необъяснимых свойств воды, отличающих её от большинства других химических веществ, встречающихся в жидком состоянии. Так, в отличие от всех известных жидкостей, плотность которых монотонно увеличивается с понижением температуры, плотность воды максимальна при 4 градусах Цельсия, а при дальнейшем понижении температуры вновь начинает убывать. Это уникальное свойство воды делает возможной жизнь в реках и озерах — в противном случае эти относительно мелкие водоемы неизбежно промерзали бы до дна в зимний период и были бы лишены всех живых организмов, за исключением, может быть, простейших бактерий экстремофилов.
Вода обладает огромной теплоемкостью — благодаря этому теплые океанические течения согревают многие северные регионы планеты, принося тепло из южных широт.
Аномально высокое поверхностное натяжение жидкой воды не только позволяет некоторым насекомым спокойно ходить по её поверхности, но и благодаря капиллярным силам обеспечивает поступление питательных веществ к кронам гигантских деревьев, достигающих нескольких десятков метров в высоту.
Объяснить эти свойства на основании лишь строения и химических параметров молекул воды ученые до последнего времени не могли. Секрет крылся в структуре, в которую самоорганизуются молекулы жидкой воды. Он долгое время оставался неразгаданным, так как изучить эту структуру теми же методами, что применяются для изучения строения твердых тел, практически невозможно.
Команда Андерса Нильсона (Anders Nilsson), ведущего специалиста Стенфордского центра синхротронного излучения (Stanford Synchrotron Radiation Lightsource), сумела преодолеть эти трудности благодаря новейшим методам изучения строения жидкостей с использованием мощного рентгеновского излучения, получаемого с помощью больших ускорителей элементарных частиц, называемых синхротронами. Один из использованных в работе синхротронов находится в Японии, а второй в США.
Ученые выяснили, что существовавшие до сих пор представления о молекулярной структуре воды были неверными — оказалось, что её молекулы формируют не одну структуру, а одновременно два типа структур, сосуществующих в жидкости вне зависимости от температуры. Один тип структуры формируется в виде сгустков примерно по 100 молекул, структура которых напоминает структуру льда. Второй тип структуры, окружающей сгустки, гораздо менее упорядочен.
Увеличение температуры вплоть до точки кипения воды приводит к некоторому искажению структуры сгустков и уменьшению их количества и доминированию разупорядоченной структуры.
«Этот процесс можно представить как танцевальный клуб, где часть людей сидит за столиками, отражая упорядоченную компоненту воды, а часть находясь в толпе, непрерывно перемещается в танце, отражая разупорядоченную. Увеличение температуры воды в этом случае можно сравнить с всеобщим поднятием настроения и ускорением музыки, когда люди начинают вставать из-за столов и присоединяться к танцующим, а часть пустующих столов и вовсе убирается для высвобождения места. Охлаждение — обратный процесс, когда танцпол заполняется столами, и за них присаживаются утомленные танцами гости клуба. При этом при одной и той же “температуре” танцующие и сидящие люди постоянно меняются местами — некоторые присаживаются отдохнуть а некоторые наоборот идут танцевать, тогда как общее соотношение танцующих и сидящих остается прежним» — пояснил результаты работы Нильсон, слова которого приводит пресс-служба Стенфордского центра линейных ускорителей в США.
Это, в частности, объясняет нелинейную зависимость плотности воды от температуры — упорядоченные скопления молекул имеют меньшую плотность, чем неупорядоченные, и она мало меняется с изменением температуры, которую можно сравнить с постоянным размером столов, не зависящим от настроения собравшихся или громкости музыки в ресторане.
Закажите консультацию специалиста компании Гейзер
Остались вопросы? Мы всегда готовы предоставить консультацию по всем вопросам очистки воды!
Заказать консультацию
Источник
Вода — основа жизни и в природе она может находиться в трех
основных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. Однако, искусственно можно
создать условия, при которых вода переходит в состояние плазмы.
В этой статье мы разберем, почему вода может быть в жидком,
твердом и газообразном состояниях, и при каких условиях меняются ее агрегатные
состояния.
Жидкое состояние воды в природных условиях планеты Земля
преобладает.
Твердое состояние воды
Вода в твердом состоянии – это лёд и снег. Некоторые не
понимают, к какому агрегатному состоянию воды относится иней. Конечно, к
твёрдому! Это мелкая ледяная крошка, замерзшие капли росы.
Твердая – это замороженная вода. Когда она замерзает, ее
молекулы отодвигаются подальше друг от друга, делая лед менее плотным, чем
жидкость, т.е. вода в твердом состоянии занимает больший объем, чем в жидком.
Большинство веществ при снижении температуры сжимается, а
вода – расширяется, и в этом ее уникальная особенность.
Замерзает – это значит, что при 0 градусов Цельсия вода
кристаллизуется и переходит из жидкого состояния в твердое. Наличие в воде
солей снижает температуру замерзания.
На школьных олимпиадах встречается такой интересный вопрос:
какой металл, находясь в расплавленном состоянии, может заморозить воду? Ответ
– ртуть, которая начинает плавиться при температуре -39 градусов Цельсия.
Понятно, что жидкая ртуть при температуре от -38 до 0 способна заморозить воду,
отбирая у нее тепло.
Несмотря на то, что самое распространенное на нашей планете
— жидкое состояние воды, значительная ее часть (2/3 всех пресноводных запасов)
находится в замороженном виде. Площадь ледников – около 11% всей суши Земли.
Если жидкое состояние пресной воды переходит в твердое при 0
градусов Цельсия, то морская вода средней солености замерзает примерно при -1,8
градусах Цельсия.
Жидкое состояние воды
Вода в жидком состоянии встречается на нашей планете не
только в реках и океанах. Облака состоят из крошечных капелек воды и
кристалликов льда, и дождь – это тоже жидкая вода.
Также вода в жидком состоянии просачивается через почву и
образует подземные водные горизонты, из которых черпается основная масса
питьевой воды.
Вода в жидком состоянии отличается высокой прилипчивостью к
различным твердым материям. Сама по себе она не является «влажной», но легко
делает влажными большинство твердых материалов.
Жидкая вода легко переходит в твердое и газообразное
состояние. Главным образом, это зависит от температуры. Но свою роль играет и
давление.
Физический переход воды из жидкого состояния в газообразное
называется испарением, потому что газообразное состояние воды называется паром.
Как жидкое состояние воды превращается в газообразное? Когда
мы кипятим воду, она превращается из жидкости в газ, или водяной пар. Когда его
часть остывает, мы видим небольшое облако, которое и называют паром. Хотя, если
мы его видим, то это уже жидкое состояние воды, т.е. скопление ее
микроскопических капелек.
Пар — это вода в газообразном состоянии, которое образуется,
когда вода кипит или испаряется. Настоящий пар невидим; однако слово «пар»
часто ошибочно относят к влажному пару, видимому туману, как аэрозолю водяных
капель, образующихся при конденсации водяного пара.
И тут всплывает такое понятие, как «точка росы». Это
температура воздуха, которая меняется в зависимости от давления и влажности,
ниже которой водный пар начинает конденсироваться в водяные капли и образуется
роса. Т.е. агрегатное состояние воды из газообразного состояния меняется на
жидкое.
Закипает жидкая пресная вода при 100°C (градусах Цельсия)
или 212°F (градусах Фарингейта), в условиях нормального атмосферного давления.
Чем ниже давление (например, в горах), тем выше температура кипения.
Состояние газа
Итак, вода в газообразном состоянии – это пар. Утверждение,
что большая часть воды в гидросфере находится в газообразном состоянии – не
верно.
Не все хорошо себе представляют, в каком состоянии вода
способна испаряться. Оказывается, вода в твердом состоянии испаряется так же,
как и жидкая, только медленнее! Скорость испарения зависит от температуры. Т.е.
в газообразное состояние вода может переходить прямо из твердого, минуя жидкое.
Испаренная с поверхности Земли вода в газообразном состоянии
образует облака и тучи
Четвертое агрегатное состояние: плазма
Все знают, в каких трех состояниях вода находится в
окружающей природе. Однако, ученые знают и четвертое состояние воды – плазму,
которую называют гидроплазмой.
Водяной пар можно нагреть до такой температуры (2 200 -13
900°С, или 4 000- 25 000 ° F), что молекулы воды распадаются и получается
просто смесь атомов водорода и кислорода в виде плазмы. Там динамически может
присутствовать некоторое количество молекул воды, но всё равно эта смесь ионов
и молекул будет водородно-кислородной плазмой.
Вообще плазма – это такое состояние вещества, которое
настолько насыщено энергией, что от атомов отлетают электроны. Не говоря уже о
разрушении молекулярных структур и кристаллических решеток.
Плазменное состояние воды в природе не встречается, однако оно
всё больше интересует ученых в плане возобновляемых источников энергии. Очень
заманчивая идея – получение из воды топлива в виде горючего водорода, который
реагирует с кислородом и опять образует воду…
Как меняются агрегатные состояния
В принципе, агрегатное (физическое) состояние воды, как и
любого другого вещества, зависит от температуры и давления. В природных
условиях Земли возможны только три состояния веществ: твёрдое, жидкое и
газообразное. Это и есть ответ на вопрос «в каких трех состояниях вода
находится в природе».
Также теперь Вы знаете ответы на многие другие интересные
вопросы типа «какой металл, находясь в расплавленном, т.е. жидком, состоянии,
может заморозить воду, т.е. превратить ее в лёд» и т.п.
И Вы имеете понятие, в каком агрегатном состоянии может
находиться вода в природе и в искусственных условиях.
Источник
Благодаря своим уникальным физическим и химическим
свойствам, часто аномальным, вода сделала возможной жизнь на Земле. Так в чем
состоят эти уникальные характеристики?
Физические свойства воды
Вода имеет высокую удельную теплоемкость, т.е. ей нужно
много тепла, чтобы нагреться, и потребуется много времени, чтобы потерять
накопленное тепло и остыть. Вот почему она используется в системах охлаждения
(например, в автомобильных радиаторах или для охлаждения промышленного
оборудования). Эта характеристика объясняет также то, почему в прибрежных (или
озерных) регионах температура воздуха мягче: в этих местах, когда времена года
меняются, температура воды «смягчает» температуру воздуха, так как она уменьшается
или увеличивается медленнее.
При ответе на вопрос: какие физические свойства воды
определяют ее особое биологическое значение, первым делом нужно вспомнить, что
она имеет высокое поверхностное натяжение. Это означает, что после наливания на
гладкую поверхность она имеет тенденцию образовывать сферические капли, а не
растекаться в тонкую пленку. И это свойство во многом объясняет высокую
биологическую активность воды. Без гравитации капля ее была бы совершенно
сферической. Поверхностное натяжение позволяет растениям поглощать воду,
содержащуюся в почве, через корни. И поверхностное натяжение делает кровь такой
«проникающей» через ткани нашего организма.
Вода обычно находится в жидком состоянии, но может легко
стать твердой или газообразной. Чистая вода переходит из жидкой в твердую, то
есть замерзает при 0° С, а на уровне моря она кипит при 100 ° С (чем выше
уровень, тем ниже температура, при которой вода начинает кипеть). Значения
кипения и замерзания воды берут в качестве контрольной точки для калибровки
термометров: в градусах Цельсия 0 ° по шкале Цельсия — это точка замерзания, а
100 ° — это точка кипения.
При замерзании вода расширяется, то есть ее плотность
уменьшается, а объем остается неизменным: поэтому лед плывет по поверхности или
лопается бутылка, наполненная водой и помещенная в морозильник.
Вода является особым природным ресурсом, поскольку она
является единственным на Земле веществом, которое можно найти во всех трех
физических состояниях в зависимости от температуры окружающей среды: жидкой,
твердой (лед) и газообразной (пар).
Химические свойства воды
Химическая формула молекулы воды — H2O: два атома водорода
(H2) связаны с одним атомом кислорода (O). Электроны атома (частицы с
отрицательным зарядом) устанавливают связи между собой. Кислород способен
держать их ближе к нему, чем водород. Молекула эта оказывается заряженной
отрицательно вблизи атома кислорода и положительно вблизи атомов водорода.
Поскольку противоположности притягиваются, молекулы воды имеют тенденцию
соединяться вместе, как магниты.
Вода может растворять многие вещества
Воду называют универсальным растворителем, поскольку она
может растворять больше веществ, чем любая другая жидкость. И нам очень с этим
повезло: если бы не это химическое свойство, мы не могли бы выпить чашку
горячего подслащенного чая, потому что сахар остался бы на дне чашки. Вот
почему воды рек, ручьев, озер, морей и океанов, которые выглядят чистыми на
первый взгляд, на самом деле содержат огромное количество растворенных
элементов и минералов, выделяемых камнями или атмосферой.
Везде, где течет вода, над землей, под землей или внутри
нашего тела, вода растворяет в себе и несет чрезвычайно большое количество
различных веществ. Таким образом, она выполняет драгоценную задачу: переносить
иногда на большие расстояния вещества, с которыми она сталкивается на своем
пути. Причем, с водой при обычных климатических условиях не реагирует
большинство этих веществ.
Чистая вода, как и дистиллированная вода, имеет рН 7
(средний). Морская вода в основном щелочная, имеет рН около 8. Чистая вода
реагирует с немногими веществами, например, серой, некоторыми солями и
металлами. Также возможен гидролиз (распад) воды при реакции с какими-то
химическими веществами.
Вода может содержать огромное количество взвешенных частиц
разных веществ, в т.ч. и радиоактивных. Именно этим и объясняется превращение
чистой воды в радиоактивную. И в наш век вездесущей атомной энергетики глубокая
и своевременная дезактивация воды – уже глобальная проблема.
Физико-химические свойства воды
То, какими свойствами обладает чистая вода, во многих
случаях зависит от водородных связей внутри ее молекул. При сравнении этих
свойств со свойствами атомов или не связанных с водородом молекулярных
жидкостей с аналогичными размерами молекул некоторые особенности воды
заслуживают внимания:
- Точка плавления льда исключительно высока среди гидридов шестой основной группы.
- Во время таяния льда при атмосферном давлении объем вещества уменьшается на 8,2%. Это аномальное сокращение объема, ведь большинство веществ расширяется во время плавления. Снижению температуры замерзания способствует увеличение давления.
- Зависимость молярного объема жидкой воды от давления и температуры показывает крайности. Плотность жидкой воды имеет максимум при 3,98 ° С.
- Коэффициент теплового расширения α жидкой воды на порядок меньше по сравнению с другими молекулярными жидкостями. Изотермическая сжимаемость χT показывает, что для молекулярной жидкости вода довольно несжимаема.
- Динамическая вязкость воды выше, чем у сопоставимых, не связанных водородом жидкостей. Более того, зависимость вязкости от давления аномальна: вязкость уменьшается с давлением и достигает минимума около 60 МПа (это давление эквивалентно толще воды в 6 км).
- Поверхностное натяжение воды выше, чем у других жидкостей, включая большинство других жидкостей, связанных водородом. В диапазоне температур от 0 до 130°С вода жидкая.
- Теплопроводность увеличивается с ростом температуры. Жидкая вода обладает высокой удельной теплоемкостью при постоянном давлении, которое изменяется незначительно до 100°C.
- Энтальпия испарения воды аномально высока. Аналогично удельной теплоемкости, она почти в четыре раза выше, чем для других сопоставимых жидкостей, не связанных с водородом. Эта разница приписывается водородной связи. Кроме того, энтальпия испарения воды очень велика по сравнению с энтальпией таяния.
Тот факт, что вода увеличивается в объеме при замерзании,
приводит ко многим последствиям в природе. Именно вода и ее свойство легко
проникать в расщелины скал, когда она замерзает, приводит к разрушению скал.
Постепенно происходит физическое и химическое выветривание скальных пород. И, в
конечном итоге, физические свойства и химические функции воды сформировали
почву на нашей планете.
Тот факт, что вода имеет самую высокую плотность при 4°С, а
не в точке замерзания, имеет важное значение для термического расслоения и
циркуляции воды в природе. Это химико-физическое свойство воды приводит к
замерзанию водоемов от их поверхности в направлении дна. Это важно не только
для жизни внутренних водоемов, но и для океанов. Если бы самые холодные районы
океанов должны были замерзать снизу-вверх, то солнечной энергии, полученной за
время лета, было бы достаточно только для оттаивания самого верхнего слоя. Так
осуществляется круговорот энергии и материи, которая опирается на циркуляции
океанов частично или даже полностью.
Огромная удельная теплоемкость воды ответственна за его
способность хранить огромное количество энергии. Таким образом, водные потоки,
например, Гольфстрим, способны нести огромное количество тепла из более теплых
климатических зон в более холодные. Таким образом, океаны работают как огромные
термостаты. Не только климат Земли, но и температурное регулирование живых
организмов зависит от высокой теплоемкости воды. Это способствует, например,
поддержанию постоянной температуры тела у теплокровных организмов. Кроме того,
относительно высокая теплопроводность воды предотвращает серьезные локальные
колебания температуры.
Абсолютно чистая вода имеет электрическую проводимость 0,03
мкСм / см это связано с автопротолизом. Электропроводность, однако, на реальных
водоемах значительно выше, из-за растворенных ионных компонентов. Вода, будучи
сильным диэлектриком (водный диэлектрик – константа), является одним из самых
лучших растворителей для солей и газов, которые способны к сольволизу с
последующей диссоциацией (например, CO2).
Еще одна особенность воды, которая важна для
гидрологического цикла — ее энтальпия испарения. С этим тесно связана летучесть
воды. Она определяет количество воды, которое переходит в газовую фазу и может
транспортироваться в атмосферу.
Таким образом, можно сделать вывод, что вода уникальна в
физическом и химическом плане. Особые свойства воды сделали ее колыбелью и
абсолютным условием жизни на Земле. Зная основные характеристики этого
вещества, можно делать вывод: благодаря каким своим химическим и физико-химическим
свойствам вода стала жидкой основой жизни.
Источник