Фото. 2. 1. Несмотря на сокращение ледников последние 30 лет, «всемирный потоп» земле не грозит благодаря высокой удельной теплоте плавления льда.

Таким образом, высокая удельная теплоемкость воды обеспечивает на нашей планете глобальную устойчивость климатических условий.

IV. В отличие от «нормальных» растворов, максимальная плотность воды наступает не при 0°С, а при 4⁰С (точнее 3.98⁰). Таким образом, плотность воды растет, а объем сокращается только при ее охлаждении от 100 до 4⁰С. При дальнейшем же охлаждении ее плотность уменьшается, а объем растет (рис.2.8).

Рис.2.8. Зависимость плотности воды и ртути от температуры. –

В отличие от «нормальных» веществ при охлаждении воды ниже 4°С ее плотность не растет, как, например, у ртути, а уменьшается.

Экологические последствия:

· Лед не тонет и спасает обитателей водоемов от замерзания.

· Замерзание воды происходит внезапно скачкообразно, при этом ее плотность резко снижается более, чем на 8%, а объем также резко возрастает примерно на 11%.

· В замкнутом пространстве избыточное давление, возникающее при замерзании (расширении объема) воды, может достигать гигантской величины – 2.5 тонны на квадратный сантиметр (!).

· При замерзании воды в трещинах горных массивов они, дробясь и измельчаясь, возвращаются в круговорот жизни – так формируются россыпные месторождения полезных ископаемых; твердые вещества и микроэлементы, содержащиеся в породах, растворяются в воде и входят в состав плодородных почв; рождаются специфические ландшафты и типы морских берегов.

· У нерадивых хозяев замерзшие водопроводные трубы и батареи водяного отопления, пивные бутылки, забытые в морозильнике, лопаются также по этой причине.

· При отсутствии центров кристаллизации в полной неподвижности вода может охлаждаться, не замерзая, до минус 70⁰С (!). Но при малейшем нарушении этих условий ее температура мгновенно повышается до 0⁰С и вода превращается в лед. При аналогичных идеальных условиях воду можно нагреть до 150⁰С без закипания, но в этом случае достаточно одного пузырька воздуха, чтобы температура воды понизилась до 100⁰С и она мгновенно вскипела.

 

V.Точки замерзания (0⁰С) и кипения (100⁰С) воды также оказываются аномальными – не соответствуют молекулярной массе.

 

Вода – Н₂О, относится к типу химических веществ, называемых «гидриды» -соединений элемента с водородом. Тем не менее, значения температуры замерзания и кипения воды не укладываются в закономерность, характерную для легких трехатомных молекул гидридов, аналогичных воде (H₂S, H₂Se, H₂Te). У этих газов точки кипения и замерзания понижаются по мере снижения относительной молекулярной массы. Вода – самый легкий из гидридов. Тем не менее, температура ее кипения и замерзания значительно выше, чем у других, более тяжелых гидридов (рис.2.9).

Рис.2.9. Зависимость величин температуры кипения и замерзания гидридов от их молекулярной массы. –

Если бы вода была «нормальной» материей, подобно своим родственным соединениям – «гомологам», трехатомным соединениям водорода, то ее точка замерзания, как самого маленького по массе гидрида составляла бы примерно минус 90⁰С, а кипения - около минус 75⁰С.

Благодаря этому свойству мы можем использовать воду в быту (готовить пищу), кататься на лыжах, играть в снежки и получать массу других удовольствий, связанных с общением с водой, при комфортной для нас температуре воздуха.

VI. Температура замерзания воды при росте давления до 2200 атм., в отличие от других веществ, не растет, а понижается (примерно на 1⁰С при росте давления на 130 атм). Дальнейший рост давления выше 2200 атм. сопровождается нормализацией поведения воды.

При давлении 500 атм. (глубина 5000 м) вода замерзает при минус 4⁰С, а при 2200 атм. – при минус 22⁰С.В водах Северного Ледовитого океана (Евразийская котловина), например, благодаря такому свойству, на глубине 4290 м (давление 430 атм.), вода, даже без учета эффекта растворенных в ней солей, не может гипотетически замерзнуть при минус 3⁰С. В океанских же водах вокруг Антарктиды - котловины Вальдивия (5872 м), Нокса (5455 м), Беллинсгаузена (6414 м), природа предусмотрела гипотетическое охлаждение без замерзания до температур минус 4-5⁰С.

Наличие этой физической аномалии у морской воды спасает жизнь многим обитателям морских глубин (фото.2.2) и, соответственно, обеспечивает возможность  возрождения жизни на планете в случае гипотетического катастрофического похолодания (гибели всего живого на поверхности суши и океана) -  наступления «ядерной зимы».

Фото.2.2. Обитатели больших глубин выживут даже в случае наступления на планете «ядерной зимы».

VII. Поверхностное натяжение. Пограничные молекулы любой жидкости способны самоуплотняться, образуя на поверхности пленку натяжения (фото.2.3).

 

Рис.2.3. Когезия - способность самоуплотняться, образуя плотную пленку поверхностного натяжения- одно из удивительных физических свойств воды

 

Такое явление называется когезия (лат. cohaesus – связанный, сцепленный). Самая плотная пленка поверхностного натяжения - у ртути. Чтобы ее разорвать нужно приложить усилие 500 дин/см. А вот на втором месте по этому показателю среди жидкостей стоит вода (72 дин/см). У спирта, ацетона, бензина величины поверхностного натяжения (22, 24 и 29 дин/см соответственно) почти в три раза ниже, чем у воды.

Последствия:

· Вода может удерживать на своей поверхности тела в 8 раз (!) тяжелее себя.  

· Для разрыва столбика чистой воды диаметром 2.5 см нужно приложить усилие 95 тонн (!). Прочность же столбика реальной (не совсем чистой) воды сечением всего 6.5 см² равна прочности стали – для его разрыва, нужно приложить усилие в 1 тонну (!).

 

VIII. Прилипание. Способность воды вопреки силам гравитации, подниматься вверх без видимой причины по капиллярам (узким стеклянным трубкам) называется адгезия (лат. adhaesio – прилипание). Молекулы воды не только самоуплотняются в пограничном с воздухом слое, но и смачивают стекло капилляра, прилипая к его поверхности и образуя известный нам вогнутый мениск (от греч. mēnískos — полумесяц) (рис..2.10).

Рис.2.10. Адгезия - способность воды прилипать к стенкам из стекла -  определяет «вогнутость»  ее мениска в капилляре.

 

Ртуть – несмачивающая жидкость, свойством прилипания не обладает, поэтому мениск у ртутных термометров не вогнутый, а выпуклый.

Экологические последствия:

· При температуре 15°С высота капиллярного подъема в крупном песке в течение 5-10 суток может составить 2 м., а в глине – 12 метров за 16 месяцев. Аридные (засушливые) зоны, таким образом, обеспечиваются грунтовыми водами.

· По капиллярам корней и стволов растения и деревья получают воду из почвы (фото.2.4).

· Некоторые ящерицы пьют воду не ртом, а через поверхность кожи, состоящую из множества капилляров (фото.2.5).