С первых и до последних мгновений своей жизни человек связан с двумя веществами – с воздухом и водой. Жизнь без воды невозможна – эту истину человек постигает уже в раннем детстве. Сама органическая жизнь есть ни что иное, как сложный биохимический процесс, протекающий в каждой клетке животного или растительного организма, где непрерывно идут реакции между растворенными веществами. Растворителем этих веществ является вода.

Свойства воды.

Способность растворять в себе различные вещества является важнейшим свойством воды.

В воде растворяются очень многие из известных веществ: органические и неорганические (минеральные) кислоты, щелочи, спирты, различные соли и др. в воде океанов и морей можно встретить чуть ли не все химические элементы. Больше всего в морской воде хлора, за ним по убывающей следуют натрий, магний, сера, кальций, калий, бром, углерод, стронций, бор и др.

С древних времён из морской воды добывается поваренная соль (NaCl), которая содержится в морях в огромном количестве. Из химических элементов первым начали добывать из морской воды бром. На суше этот элемент почти невозможно получить из минералов. В настоящее время мировая добыча брома из морской воды достигает 50 тысяч тонн в год. Основные производственные мощности по добыче брома из морской воды находятся в США, Великобритании и Японии.

Стоит упомянуть также, что около половины общего количества металлического магния в мире теперь производится не из руды, а из морской воды.

Из газов в воде, как и в воздухе, содержится больше всего азота. За ним следует кислород и углекислый газ. В ничтожном количестве присутствуют инертные газы. Есть водные районы, где кислород полностью или почти полностью отсутствует. Например, кислорода практически нет в глубинах Чёрного моря, в некоторых районах Атлантики и Тихого океана, в частности, у берегов Калифорнии, а также в некоторых фиордах Норвегии.

В некоторых районах океана на больших глубинах образуется сероводород. Известно, что сероводородом насыщена вода в Чёрном море на глубине 200 метров и более.

В одинаковых объёмах воды и воздуха содержится разное количество газов, хотя и в воде, и в воздухе они находятся в одинаковых пропорциях. Например, при нормальном атмосферном давлении и температуре 20^оС в 1 литре воздуха содержится 210 см³ кислорода, а в одном литре воды может раствориться не более 10 см³ кислорода.

При повышении температуры растворимость кислорода в воде уменьшается. Лабораторные исследования показали, что при температуре 0^оС и нормальном атмосферном давлении в 1 литре воды может раствориться не более 14,16 миллиграмма кислорода. При 10^оС это количество уменьшается до 10,92 миллиграмма, а при 30^оС составляет 7,85 мг. Для сравнения: в 1 литре воздуха при температуре 20^оС и нормальном давлении содержится 300 мг кислорода.

Такое свойство воды затрудняет жизнь водных животных. С повышением температуры в любом организме резко ускоряется обмен веществ, а значит, существенно возрастает потребность в кислороде. Ихтиологи, например, установили, что при повышении температуры воды на 10^оС рыбы начинают потреблять вдвое больше кислорода.

Основную часть массы живых организмов составляет вода. Например, считается, что тело взрослого человека на 80-85 процентов состоит из воды. Тела таких существ как моллюски и медузы, а также эмбрион человека на 95-97 процентов состоят из воды.

Такое знакомое, ежедневно используемое человеком вещество – вода обладает многими удивительными свойствами.

Химический состав воды прост. Каждому школьнику известна формула воды – H₂O. Это значит, что молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Как химическое соединение вода – это окись (или оксид) водорода. В природе вода встречается в трёх агрегатных состояниях: жидком, твёрдом (лёд, снег) и газообразном (пар).

Уже при первом своём превращении – при переходе из жидкого состояния в твёрдое, т.е. в лёд, вода проявляет одно из удивительных своих свойств. Если при охлаждении все физические тела сжимаются, то вода ведёт себя иначе: охлаждаясь до отрицательной температуры и превращаясь в лёд, вода увеличивает свой объём. Объём льда почти на 9 процентов больше того объёма воды, из которого он образовался. Физически это объясняется тем, что распределение молекул в кристаллической решетке льда менее плотное, чем в жидкой воде.

Вот почему при замерзании воды в трубах, радиаторах отопления и других закрытых ёмкостях всегда возникает опасность их разрыва. Работники отопительных систем хорошо знают об этом. Постоянное внимание с наступлением холодов требуется и от водителей автомобилей, тракторов, тепловозов, если в системах охлаждения двигателей этих машин используется вода.

Чистая пресная вода при нормальном давлении замерзает при температуре 0оС. Вода чистая, без примесей солей и других веществ может находиться в жидком состоянии даже при отрицательных температурах до нескольких градусов ниже нуля.

Плотность воды зависит от температуры, давления и солёности (если речь идёт о морской воде). Пресная вода при температуре 20^оС имеет плотность 1,0 г/см³. Обычная морская вода при той же температуре имеет плотность 1,025 г/см³. Чистая вода наибольшую плотность, т.е. наименьший удельный объём имеет при температуре плюс 4^оС (точнее +3,98 градуса Цельсия).

Закипает чистая вода при нормальном давлении при температуре 99-100 ^оС. При понижении давления вода закипает при более низкой температуре и наоборот. Например, на высочайшей вершине мира – Джомолунгме, где атмосферное давление составляет 31,5 килопаскаля, температура кипения воды равна 69,7 ^оС. При давлении 9807 килопаскалей (давление воды на глубине 1 км) вода закипает при температуре 309,5 ^оС. Справка: нормальным или стандартным атмосферным давлением на уровне моря считается давление в 101,3 килопаскаля.

Поскольку удельная плотность льда меньше, чем воды, образовавшийся лёд не тонет, а плавает по поверхности воды. Если было бы иначе, то мы не могли бы наблюдать весной на наших реках ледохода, такого всегда волнующего и величественного явления. Более того, если было бы иначе, то нас, людей, скорее всего не было бы на Земле. Представим себе, что лёд тяжелее воды. Тогда получается следующая картина. Лёд, появившись на поверхности водоёмов, сразу опускается на дно. Постепенно вся вода в реках, озёрах, болотах, во всех морях превращается в лёд. В атмосферу прекращается поступление водяных паров, исчезают облака, служащие теплоизоляцией Земли, на нашей планете устанавливается вечный космический холод... Не будем дальше фантазировать. От подобной ужасной участи Землю спасает вода, точнее её удивительное свойство быть в твёрдом состоянии менее плотной, чем в жидком. Уже только поэтому вода имеет главное, решающее значение для существования и развития биосферы Земли.

Пытливый ум учёных дал ответ и на такой вопрос: что произойдёт со льдом под воздействием сверхвысокого давления? Эксперименты, проведенные в 40-х годах века американским физиком Бриджменом, показали, что под давлением в несколько тысяч атмосфер плотность льда возрастает, и он может стать более чем в 1,5 раза тяжелее воды. Один из полученных образцов оставался твёрдым при температуре выше температуры кипения воды. Пока неясно, имеют ли эти данные какое-либо практическое значение.

Ещё одно важное свойство воды заключается в её большой теплоёмкости. Теплоёмкость воды выше, чем у других известных науке веществ. Для сравнения: теплоёмкость воды в 2-2,5 раза выше, чем у органических и минеральных кислот и жиров, в 10 раз выше, чем у железа.

Такое свойство воды приводит к тому, что, поглощая много солнечного тепла, вода в тёмное время суток отдаёт его атмосфере. Полученное от поверхности океанов, морей, озёр, всех земных водоёмов тепло, а также водяные пары защищают Землю от резких суточных перепадов температур, которые могли бы быть губительными для живых существ.

«Объективности ради» отметим, что в этом «заслуга» не только воды. Не меньшее значение для равномерного нагрева земной поверхности имеет тот факт, что на Земле короткие сутки: темнота сменяется светом в среднем через каждые 12 часов. Во всяком случае это верно для экваториальной и тропической зон.

Важным свойством воды является её почти полная несжимаемость. Коэффициент сжимаемости воды равен всего 0,000046 на 1 бар (1 бар = 0,98692 атмосферы). Это означает, что при давлении 500 атмосфер объём воды уменьшится всего на 2 процента. Поскольку коэффициент сжатия воды очень незначителен, морским животным, погружающимся на большую глубину, небольшое сокращение объёма воды, входящей в состав их тел, ощутимого вреда не приносит.

Но в масштабах океана и его огромных глубин величина сжатия воды окажется значительной. Вот что показали расчёты: если бы воды океана под действием собственной тяжести не уменьшили свой объём, то уровень Мирового океана поднялся бы на 27 метров. А это значит, что такие города как Петербург и Таллин, Лондон и Гамбург, Батуми и Севастополь, Амстердам и Венеция и многие другие скрылись бы под водой.

Вода – проводник или диэлектрик?

Химически чистая вода является диэлектриком, т.е. не проводит электрический ток. В природе химически чистой воды практически нет. Химически чистую воду можно получить только в лабораторных условиях. Вода немедленно становится проводником электрического тока, как только в ней растворятся соли или другие вещества, что приведет к образованию ионов, которые и выполняют функцию переноса электрических зарядов. Вода из колодца, из артезианской скважины, из водопровода, не говоря уже о морской воде, всегда содержит ионы атомов или групп атомов, а значит, является проводником электрического тока.

Здесь уместно провести аналогию с минеральными маслами. Чистое минеральное масло является диэлектриком, изолятором не хуже фарфора. Примером может служить трансформаторное масло, охлаждающее и изолирующее обмотки трансформатора, находящиеся под напряжением в десятки и сотни тысяч вольт. Зато требования к чистоте этого масла исключительно велики.

Какого цвета вода?

На берегах рек и озёр мы часто любуемся хрустальной прозрачностью воды, рассматриваем на глубине до 2-3 метров дно и все находящиеся там мелкие предметы и живые существа. Но даже самая чистая пресная вода, не говоря уже о морской, плохо проводит солнечный свет. До стометровой глубины доходит менее одного процента солнечных лучей. На глубине 100 метров в районах с чистой водой человек с хорошим зрением может увидеть лишь слабый сине-зелёный свет.

На глубине моря 150 метров человеческий глаз практически ничего не видит, а ещё глубже начинается зона вечной темноты.

Вообще океанология делит глубины океана на четыре яруса освещённости. Первый ярус – световой (100 – 150-метровый слой воды). Глубины от 150 до 500 м – это полусветовой ярус. Освещённость здесь ничтожно мала. Глубже (500 – 1500 м) расположен малосветовой ярус. Глубже 1500 м начинается бессветовой ярус.

Интересно, что в световом и полусветовом ярусах в океане растут водоросли, а многообразные животные организмы обитают на всех без исключения световых ярусах.

Как известно, солнечный свет – это широкий спектр электромагнитных колебаний. Электромагнитные волны различной длины имеют разную способность проникать в водную толщу. При встрече с водной поверхностью самые короткие ультрафиолетовые и самые длинные инфракрасные лучи, а также длинные радиоволны почти полностью поглощаются уже в самом верхнем (до 20 метров глубины) слое воды.

Лучше всех пропускает вода в свою глубину волны видимой части спектра, особенно волны сине-зелёного цвета с длиной около 465 нанометров. В открытом океане глубже всего в воду проникают лучи голубой части спектра. Именно поэтому большие массы воды чаще всего кажутся нам сине-зелёного или голубовато-синего цвета.

Чистая вода в стакане кажется нам бесцветной, потому что её глубина слишком мала, чтобы поглотить даже незначительную часть светового спектра.

Если говорить о цвете поверхности моря, то этот цвет для человеческого глаза создаётся светом, отраженным от поверхности воды и поэтому может принимать различные оттенки в зависимости от окраски небес в каждый данный момент. Сравните цвет моря в солнечный день и в пасмурный, или во время восхода и заката на море.

Какова скорость звука в воде?

Звуковые волны распространяются в воде в среднем со скоростью 1500 метров в секунду. В морской воде звук распространяется быстрее, чем в пресной. Скорость звука в морской воде растёт с повышением температуры, давления и солёности. В воздухе при нормальных условиях скорость звука равна приблизительно 330 метрам в секунду.

Впервые скорость звука в воде была измерена в первой половине XIX века на Женевском озере. Экспериментаторы в качестве источника звука использовали опущенный в воду медный колокол, по которому ударяли молотком. В момент удара особое приспособление зажигало порох, вспышка которого была видна другому экспериментатору, находившемуся в лодке на определённом расстоянии и слушавшему звук колокола в трубу, опущенную в воду. Зная расстояние друг от друга и время запаздывания звука по сравнению со вспышкой, экспериментаторы определили скорость звука в воде. Насколько точным был результат, об этом история науки умалчивает.

Поверхностное натяжение.

Образование плёнки поверхностного натяжения является одним из удивительных свойств воды.

Эта чрезвычайно прочная плёнка создаётся силой электростатических водородных связей, обеспечивающих прочнейшее сцепление молекул воды. Никакая другая жидкость, за исключением ртути, по силе поверхностного натяжения не может сравниться с водой. Толщина поверхностной плёнки чрезвычайно мала – всего одна или несколько молекул, но прочность этой плёнки позволяет держаться на поверхности воды предметам, плотность которых выше плотности воды. Например, осторожно опущенная на спокойную поверхность воды тонкая металлическая пластинка не тонет, а держится на воде. Так же ведут себя другие предметы из более плотных, чем вода, но не смачиваемых водой материалов. Плёнка поверхностного натяжения служит опорой для мелких насекомых типа водомерок, которые, используя свои длинные ноги, покрытые несмачиваемыми волосками, свободно разгуливают по поверхности водоёмов в поисках добычи. Там, где ноги насекомого соприкасаются с поверхностью воды, на ней можно заметить небольшие вмятины. Именно благодаря поверхностному натяжению капля воды в невесомости принимает такую форму, при которой обеспечивается минимальная площадь поверхности, - форму шара.

Смачивание.

Несколько слов о смачивании. Смачивание – поверхностное явление, возникающее при соприкосновении жидкости с твёрдым телом. Смачивание материала водой означает, что молекулы воды притягиваются к этому материалу силами межмолекулярного взаимодействия сильнее, чем друг к другу. Самым простым примером смачиваемого материала является кожа человека. Попавшая на поверхность кожи вода не скатывается с неё полностью, как, например, с покрытого жиром оперения водоплавающих птиц, и для её удаления нам требуется полотенце. К ткани полотенца, особенно хлопчатобумажной, молекулы воды притягиваются сильнее, чем к коже. Если было бы иначе, полотенце оказалось бы бесполезным – оно просто размазывало бы воду по коже.

Капиллярность.

Необходимо упомянуть также о явлении капиллярности, характерном для воды. Капиллярность – это способность воды самопроизвольно подниматься вверх по каналам малого сечения. Продемонстрировать капиллярное явление можно на простом опыте. Опустите конец тонкой трубки диаметром, скажем, в соломинку в сосуд с водой. Уровень воды в трубке окажется выше уровня воды в сосуде. Разница в уровнях будет тем больше, чем меньше внутренний диаметр трубки. Капиллярностью объясняется способность корневой системы растений доставлять воду из почвы к ветвям и листьям. Кровь и лимфа в человеческом теле, которые на 99% состоят из воды, движутся по мельчайшим сосудам – капиллярам также в значительной степени благодаря явлению капиллярности.

© Владимир Каланов,
LifePlanet.org