7. Физические свойства воды
Вода в нормальных атмосферных условиях сохраняет жидкое агрегатное состояние, тогда как аналогичные водородные соединения являются газами. Это объясняется особыми характеристиками слагающих молекулы атомов и присутствием связей между ними. Атомы водорода присоединены к атому кислорода, образуя угол 104,45°, и эта конфигурация строго сохраняется. Из-за большой разности электроотрицательностейатомовводородаикислородаэлектронные облакасильно смещены в сторону кислорода. По этой причине молекула воды является активным диполем, где кислородная сторона отрицательна, а водородная положительна. В результате молекулы воды притягиваются своими противоположными полюсами и образуют полярные связи, на разрыв которых требуется много энергии[9]. В составе каждой молекулыионводорода (протон) не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, в результате чего он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома кислорода соседней молекулы, образуя водородную связь с другой молекулой. Каждая молекула связана с четырьмя другими посредством водородных связей — две из них образует атом кислорода и две атомы водорода[9]. Комбинация этих связей между молекулами воды — полярной и водородной и определяет очень высокую температуру её кипения и удельную теплоты парообразования[9]. В результате этих связей в водной среде возникает давление в 15-20 тыс. атмосфер, которое и объясняет причину трудносжимаемости воды, так при увеличении атмосферного давления на 1бар, вода сжимается на 0,00005 доли её начального объёма[9][В каких пределах изменения давления корректна эта оценка?].
Структуры воды и льда между собой очень похожи[9]. В воде, как и во льду, молекулы стараются расположиться в определённом порядке — образовать структуру, однако тепловое движение этому препятствует. При температуре перехода в твёрдое состояние тепловое движение молекул более не препятствует образованию структуры, и молекулы воды упорядочиваются, в процессе этого объёмы пустот между молекулами увеличиваются и общая плотность воды падает, что и объясняет причину меньшей плотности воды в фазе льда. При испарении, напротив, рвутся все связи. Разрыв связей требует много энергии, отчего у воды самая большаяудельная теплоёмкостьсреди прочих жидкостей и твёрдых веществ. Для того чтобы нагреть один литр воды на один градус, требуется затратить 4,1868кДжэнергии. Благодаря этому свойству вода нередко используется кактеплоноситель. Однако удельная теплоёмкость воды, в отличие от других веществ непостоянна: при нагреве от 0 до 35градусов Цельсияеёудельная теплоёмкостьпадает, в то время как у других веществ она постоянна при изменении температуры. Помимо большой удельной теплоёмкости, вода также имеет большие значенияудельной теплоты плавления(0 °C и 333,55 кДж/кг) ипарообразования(2250 кДж/кг).
Вода обладает также высоким поверхностным натяжением среди жидкостей, уступая в этом только ртути[10][11][12][13]. Относительно высокая вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.
По сходным причинам вода является хорошим растворителемполярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные — атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.
Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде[14]. Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.
Вода обладает отрицательным электрическим потенциаломповерхности.
Чистая вода— хорошийизолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрацияпротонов(точнее, ионовгидроксонияH3O+) игидроксильных ионовHO− составляет 0,1 мкмоль/л.[источник не указан 48 дней] Но поскольку вода — хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.
Вода имеет показатель преломленияn=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественнымпарниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действиямикроволновой печи.
Агрегатные состояния
По состояниюразличают:
Твёрдое — лёд
Жидкое — вода
Газообразное — водяной пар
При нормальном атмосферном давлении(760мм рт. ст., 101 325Па) вода переходит в твердое состояние при температуре в 0 °C икипит (превращается в водяной пар)при температуре 100 °C (температура 0 °C и 100 °C были специально выбраны как температура таяния льда и кипения воды при созданиитемпературной шкалы «по Цельсию» в системе СИ). При снижении давления температура таяния (плавления) льда медленно растёт, а температура кипения воды — падает. При давлении в 611,73 Па (около 0,006атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такое давление и температура называютсятройной точкойводы. При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температуравозгонки (сублимации)льда падает со снижением давления. При высоком давлении существуют модификациильдас температурами плавления выше комнатной.
При росте давления плотность водяного пара в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды — падает. При температуре 374 °C (647 K) и давлении 22,064МПа(218атм) вода проходиткритическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоком давлении нет разницы между жидкой водой и водяным паром, следовательно, нет и кипения или испарения.
Так же возможны метастабильные состояния—пересыщенный пар,перегретая жидкость,переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, нетрудно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0 °C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.
Чистая вода способна как переохлаждаться не замерзая до температуры −33 °C, так и быть перегрета до +200 °C. За это её свойство она получила применение в промышленности (например в паровых турбинах).
Существует тип воды, которая имеет плотность на 40 % выше нормальной и закипает при температуре +300°С. Эта разновидность воды была открыта советским учёнымБ. В. Дерягинымна поверхности кристаллов кварца[9].