Военный институт материального обеспечения Вольск, Россия
Вода - самое главное вещество для жизни
Хованова А.В., Ковалева А.С., Френкель Е.Э.
Из Википедии [1]:
Водам (оксид водорода) - бинарное неорганическое соединение с химической формулой Н2O. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного - кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. При нормальных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеющую цвета (при малой толщине слоя), запаха и вкуса. В твёрдом состоянии называется льдом (кристаллы льда могут образовывать снег или иней), а в газообразном - водяным паром. Вода также может существовать в виде жидких кристаллов (на гидрофильных поверхностях). Составляет приблизительно около 0,05 % массы Земли.
Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озёра, реки, льды) - 361,13 млн км2. На Земле примерно 96,5 % воды приходится на океаны, 1,7 % мировых запасов составляют грунтовые воды, ещё 1,7 % - ледники и ледяные шапки Антарктиды и Гренландии, небольшая часть находится в реках, озёрах и болотах, и 0,001 % в облаках (образуются из взвешенных в воздухе частиц льда и жидкой воды). Бомльшая часть земной воды - солёная, непригодная для сельского хозяйства и питья. Доля пресной составляет около 2,5 %, причём 98,8 % этой воды находится в ледниках и грунтовых водах. Менее 0,3 % всей пресной воды содержится в реках, озёрах и атмосфере, и ещё меньшее количество (0,003 %) находится в живых организмах. вода живой неорганический вязкость
Является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).
Исключительно важна роль воды в возникновении и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. Вода является важнейшим веществом для всех живых существ на Земле.
«Вода, у тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобою наслаждаются, не ведая, что ты такое. Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты сама жизнь. Ты восполняешь нас радостью, которую не объяснишь нашими чувствами. С тобою возвращаются к нам силы, с которыми мы уже простились. По твоей милости в нас вновь начинают бурлить высохшие родники нашего сердца» [2].
Мало кто из нас задумывался над тем, что представляет собой вода. Она сопровождает нас повсюду и, кажется, нет ничего более обычного и простого.
Однако это далеко не так. Многие поколения учёных изучают свойства воды. Совершенствуется научное оборудование и методы исследований, и на каждом этапе развития науки и техники открываются новые удивительные свойства воды. В настоящее время о воде известно очень много - наверное, в природе не существует химического соединения, о котором было бы накоплено больше научной информации, чем о воде. Несмотря на это можно с уверенностью говорить о том, что природа этого вещества ещё не познана до конца и нам предстоит узнать немало. Вода особенно интересна тем, что она является универсальным растворителем многих соединений и приобретает в растворах необычные свойства, которые и представляют первоочередной интерес для исследователей.
Вода - вещество привычное и необычное. Известный советский ученый академик И.В. Петрянов свою научно-популярную книгу о воде назвал «Самое необыкновенное вещество в мире» [3]. А доктор биологических наук Б.Ф. Сергеев начал свою книгу «Занимательная физиология» с главы о воде - «Вещество, которое создало нашу планету» [4].
Учёные правы: нет на Земле вещества более важного для нас, чем обыкновенная вода, и в то же время не существует другого такого же вещества, в свойствах которого было бы столько противоречий и аномалий, сколько в её свойствах.
Вода - единственное вещество на Земле, которое существует в природе во всех трёх агрегатных состояниях - жидком, твёрдом и газообразном.
Кроме того, вода - весьма распространенное на Земле вещество. Больше 70 % поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки и озёра. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы.
Вода имеет очень большое значение в жизни растений, животных и человека. Согласно современным представлениям, само происхождение жизни связывается с морем. Во всяком организме вода представляет собой среду, в которой протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций.
Её аномальные свойства обеспечивают условия для жизни на нашей планете. Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твёрдое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались бы до 0 °С и опускались на дно, освобождая место более тёплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоёма не приобрела бы температуру 0 °С. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоём промерзал бы на всю его глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотности вода достигает при 4 °С, то перемещение её слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры, При дальнейшем понижении температуры охлаждённый слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.
Большое значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоёмкостью [4,18 Дж/(г·К)] Поэтому в ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днём или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь таким образом, регулятором температуры на земном шаре.
То, что вода обладает уникальными свойствами, знали ещё в древности. Эта загадочность влекла (да и сейчас влечёт) к себе поэтов, художников, философов, учёных, всех людей, так как каждый человек немного (а иногда и много) поэт, художник, философ. Есть что-то такое, что заставило Фалеса Фалемс (др.-греч. Ибл?т ? МйлЮуйпт, 640/624 - 548/545 до н.э.) - древнегреческий философ и математик из Милета (Малая Азия). Представитель ионической натурфилософии и основатель милетской (ионийской) школы, с которой начинается история европейской науки. Традиционно считается основоположником греческой философии (и науки) - он неизменно открывал список «семи мудрецов», заложивших основы греческой культуры и государственности. из Милета сказать: «Воистину, вода лучше всего». Фалес был греком и жил на берегу моря. Когда сидишь у моря и смотришь на него, то кажется, что вот-вот раскроются самые сокровенные тайны мироздания.
Прошло полтора тысячелетия. Лавуазье Антуамн Лорамн Лавуазьем (фр. Antoine Laurent de Lavoisier; 26 августа 1743 г., Париж - 8 мая 1794 г., Париж) - французский естествоиспытатель, основатель современной химии. окончательно показал, что вода - не элемент (в современном понимании этого слова), а состоит из водорода и кислорода. Ещё несколько десятилетий ушло на то, чтобы установить, что в воде на один атом кислорода приходится два атома водорода - Н2О. Эту формулу знают даже люди, очень далёкие от естественных наук. Для многих - это единственная химическая формула, которую они могут написать и произнести… Со времён Лавуазье воду изучают непрерывно, всеми возможными способами. А число этих способов становится всё больше и больше. Мы очень много знаем о воде. Но можем ли мы, как Декарт Ренем Декамрт (фр. Renй Descartes, лат. Renatus Cartesius - Картезий; 31 марта 1596, Лаэ (провинция Турень), ныне Декарт (департамент Эндр и Луара) - 11 февраля 1650, Стокгольм) - французский философ, математик, механик, физик и физиолог, создатель аналитической геометрии и современной алгебраической символики, автор метода радикального сомнения в философии, механицизма в физике, предтеча рефлексологии. , спокойно, просто и уверенно рассказать, как она устроена и как движутся её частицы? Современные методы исследования строения веществ позволили досконально изучить структуру воды во всех её агрегатных состояниях. Однако чем больше новых данных о воде было получено, тем больше новых загадок открывалось для исследователей.
Тепловые свойства воды - один из вопросов, рассмотренных Хендерсоном Еще в 1832 году британский ученый Вильям Вивел обнаружил, что именно вода - такое вещество, которое нарушает стандартные экстраполяции свойств. Через 100 лет профессор биологической химии в Гарварде Лоуренс Хендерсон, изложив свои выводы в работе «Гармония окружающей среды». в его книге. Он отмечает, что существует пять отдельных моментов, в отношении которых тепловые свойства воды уникальны.
1. Все известные твёрдые вещества при охлаждении сокращаются в объёме. Это справедливо и для всех известных жидкостей: при понижении температуры уменьшается их объём. При уменьшении объёма возрастает плотность, и более холодные части жидкости становятся тяжелее. Поэтому вещества весят больше (по объему), когда они находятся в твёрдой, а не в жидкой форме. Только в одном случае этот «закон» нарушается - когда мы имеем дело с водой. Подобно другим жидкостям, вода сокращается в объёме при охлаждении, но не ниже 4 °С. При дальнейшем понижении температуры, в отличие от всех других известных жидкостей, она вдруг начинает расширяться и, когда она замерзает, т.е. оказывается в твёрдом состоянии, она расширяется ещё больше. В результате «твердая вода» легче «жидкой воды». По законам физики твёрдая вода, т.е. лёд, должен быть тяжелее жидкой воды и тонуть, однако он плавает на поверхности воды.
2. Когда лёд тает и вода испаряется, тепло поглощается из окружающей среды. Когда этот процесс протекает в обратном направлении (т.е. вода замерзает или пар осаждается), высвобождается тепло. В физике это явление обозначается термином «латентное тепло». Все жидкости обладают тем или иным латентным теплом, но латентное тепло воды самое известное. При «нормальных" температурах только латентное тепло аммиака при замерзании выше латентного тепла воды. В отношении же латентного тепла при испарении ни одна жидкость не может сравниться с водой.
3. Тепловая ёмкость воды, т.е. количество теплоты, необходимое для увеличения температуры воды на один градус, выше, чем у большинства других жидкостей.
4. Тепловая проводимость воды, т.е. способность передавать тепло, в четыре раза выше, чем у других жидкостей.
5. Тепловая проводимость льда и снега, напротив, низка. Вы, наверное, уже задаете себе вопрос, какое значение могут иметь эти пять на первый взгляд чисто физических свойств воды. Оказывается, роль каждого из них огромна, поскольку жизнь вообще и наша жизнь в частности возможна в этом мире только потому, что эти свойства воды такие, какие они есть. Давайте рассмотрим каждое из них.
Жидкости, как правило, замерзают снизу вверх, вода же - сверху вниз. Это первое необычное свойство, благодаря которому вода находится на поверхности земли, а лёд плавает по воде. Если бы не это свойство, большая часть нашей планеты была закована во льды, и жизнь в её морях, озёрах, прудах и реках была бы невозможна.
Давайте посмотрим, почему так происходит. В мире много мест, где зимой температура опускается ниже 0 °С, а иногда и значительно ниже. Вода в морях, озёрах и др. охлаждается, и часть её замерзает. Если бы лед не обладал способностью плавать, он бы опустился на дно, а более тёплые пласты воды поднялись на поверхность. Соприкасаясь с воздухом, температура которого ниже 0 °С, они тоже замерзнут и погрузятся на дно.
Этот процесс будет продолжаться, пока совсем не останется жидкой воды. Однако этого не происходит. Напротив, охлаждаясь, вода становится тяжелее, пока она не достигает 4 °С - в этот момент всё изменяется, и она начинает расширяться и становится легче по мере того, как падает температура. В результате вода с температурой 4 °С остаётся на дне, над ней располагается вода с температурой 3 °С, 2 °С и т.д. И только на поверхности температура воды достигает 0 °С, и там она замерзает. Но замерзает только поверхностный слой воды, подо льдом остальная вода остается в жидком состоянии, что даёт возможность жить подводным существам и растениям.
Заметим, что пятое свойство воды - низкая тепловая проводимость льда и снега - составляет важную часть этого процесса. Вследствие низкой теплопроводности слои льда и снега сохраняют тепло воды и не дают ему уйти в атмосферу.
Давайте ещё раз подумаем о том, что бы случилось, веди себя вода «нормально», т.е. если бы, как у всех других жидкостей, плотность воды увеличивалась при понижении температуры, а лёд опускался на дно.
В таком случае процесс замерзания океанов и морей начинался бы со дна и распространялся вверх, потому что не было бы слоя льда, удерживающего тепло. Другими словами, большинство озер, морей и океанов Земли превратились бы в сплошной лёд, поверх которого находился бы слой воды глубиной всего лишь в несколько метров. Даже если бы температура воздуха увеличилась, лёд на дне никогда не таял бы полностью, и соответственно жизнь там не могла бы существовать. С мёртвыми морями жизнь на Земле также была бы невозможна.
Почему же вода ведет себя «ненормально»? Почему она неожиданно начинает расширяться при 4 °С, после того как сжималась, т.е. делала то, что должна была делать? На этот вопрос ещё никто не сумел найти ответа.