18. Особенности жидкого состояния вещества

и воды

Жидкость, занимая промежуточное положение между газами и кристаллами, сочетает в себе свойства обоих видов этих тел.

1. Подобно твердым телам жидкости малосжимаемы из-за плотного расположения молекул. (Однако, если бы вода могла полностью освободиться от сжатия, то уровень воды в мировом океане поднялся бы на 35 м и вода затопила бы 5 000 000 км² суши.)

2. Жидкость, как и твердые тела, сохраняет объем, но подобно газу принимает форму сосуда.

3. Для кристаллов характерен дальний порядок в расположении атомов (кристаллическая решетка), для газов – полный хаос. Для жидкости существует промежуточное состояние – ближний порядок, т.е. расположение только ближайших молекул упорядоченно. При удалении от данной молекулы на расстояние 3–4 эффективных диаметра молекулы упорядоченность размывается. Поэтому жидкости близки к поликристаллическим телам, состоящим из очень мелких кристаллов (размерами около 10^9 м), произвольно ориентированных друг относительно друга. Благодаря этому свойства большинства жидкостей одинаковы по всем направлениям (и нет анизотропии, как в кристаллах).

4. Большинство жидкостей, как и твердые тела, при увеличении температуры увеличивают свой объем, уменьшая при этом свою плотность (при критической температуре плотность жидкости равна плотности ее пара). Вода отличается известной аномалией, состоящей в том, что при +4 С вода обладает максимальной плотностью. Эта аномалия объясняется тем, что молекулы воды частично собираются в группы из нескольких молекул, образуя своеобразные большие молекулы Н₂О, (Н₂О)₂, (Н₂О)₃, удельный вес которых различен. При разных температурах соотношение концентраций этих групп молекул различное.

Существуют аморфные тела (стекло, янтарь, смолы, битумы...), которые принято рассматривать как переохлажденные жидкости с очень высоким коэффициентом вязкости. Они имеют одинаковые свойства по всем направлениям (изотропны), ближний порядок в расположении частиц, у них нет температуры плавления (при нагреве вещество постепенно размягчается и переходит в жидкое состояние).

В технике применяются магнитные жидкости – это обычные жидкости (вода, керосин, различные масла), в которые введены (до 50%) мельчайшие частицы (размером в несколько микрон) твердого ферромагнитного материала (например, Fe₂O₃). Перемещением магнитной жидкости и ее вязкостью можно управлять магнитным полем. В сильных магнитных полях магнитная жидкость мгновенно твердеет.

Некоторые органические вещества, молекулы которых имеют нитевидную форму или форму плоских пластин, могут находиться в особом состоянии, обладая одновременно свойствами анизотропии и текучести. Они называются жидкими кристаллами. Для изменения ориентации молекул жидкого кристалла (при этом изменяется его прозрачность) требуется напряжение около 1 В и мощность порядка микроватт, что можно обеспечить непосредственной подачей сигналов с интегральных схем без дополнительного усиления. Поэтому жидкие кристаллы широко применяются в индикаторах электронных часов, калькуляторах, дисплеях.

При замерзании вода увеличивается в объеме на 11%, и если вода замерзает в замкнутом пространстве, может достигаться давление 2500 атмосфер (разрушаются водопроводные трубы, горные породы, ...).

У воды одна из самых больших: 1) диэлектрическая проницаемость (поэтому вода является хорошим растворителем, особенно солей с ионными связями – в Мировом океане содержится вся таблица Менделеева); 2) теплота плавления (медленное таяние снега весной); 3) теплота парообразования; 4) поверхностное натяжение; 5) теплоемкость (мягкий климат прибрежных районов).

Существует легкая (1 г/см³) и тяжелая (1,106 г/см³) вода. Легкая вода ("живая") – биологически активна – это окись протия Н₂О. Тяжелая вода ("мертвая") – подавляет жизнедеятельность организмов – это окись дейтерия D₂O. Протий (1 а.е.м.), дейтерий (2 а.е.м.) и тритий (3 а.е.м.) – это изотопы водорода. Существуют также и 6 изотопов кислорода: от ¹⁴О до ¹⁹О, которые могут находиться в молекуле воды.

При обработке воды магнитным полем изменяются ее свойства: изменяется смачиваемость твердых тел, ускоряется их растворение, изменяется концентрация растворенных газов, предотвращается образование накипи в паровых котлах, ускоряется в 4 раза затвердевание бетона и повышается его прочность на 45%, оказывается биологическое воздействие на человека (магнитные браслеты и серьги, магнитофоры и т.п.) и растения (повышается всхожесть и урожайность сельскохозяйственных культур).

Серебрянная вода ("святая")  может долго храниться (более полугода), так как происходит обезвреживание воды от микробов и бактерий ионами серебра (применяется в космонавтике, для консервирования продуктов, обеззараживания воды в плавательных бассейнах, в лечебных целях для профилактики и борьбы с желудочно-кишечными заболеваниями и воспалительными процессами).

Обеззараживание питьевой воды в городских водопроводах осуществляется хлорированием и озонированием воды. Существуют и физические методы обеззараживания при помощи ультрафиолетового излучения и ультразвука.

Растворимость газов в воде зависит от температуры, давления, минерализации, присутствия в водном растворе других газов. В 1 л воды при 0 С может быть растворено: гелия – 10 мл, углекислого газа – 1713 мл, сероводорода – 4630 мл, аммиака – 1 300 000 мл (нашатырный спирт). Аквалангисты при погружении на большие глубины используют специальные дыхательные смеси, чтобы не получилась "газированная кровь" из-за растворения в ней азота.

Все живые организмы на 60–80% состоят из воды. Кровь человека и животных по составу солей близка к океанической воде. Человек и животные могут в своих организмах синтезировать воду, образовывать ее при сгорании пищевых продуктов и самих тканей. У верблюда, например, жир, содержащийся в горбу, может в результате окисления дать 40 л воды.

При электролизе воды можно получить два ее вида: 1) кислую воду ("мертвую"), которая действует как антисептическое средство (аналогично тому, как в кислом желудочном соке погибают многие болезнетворные микробы); 2) щелочную воду ("живую"), которая активизирует биологические процессы (повышает урожайность, быстрее заживляет раны и т.п.).