Фізичні властивості води

Міністерство освіти і науки України

Мала академія наук України

Полтавське територіальне відділення МАН України

Науково-природниче відділення

Секція фізики

Фізичні властивості води

Автор ,
учень 10 класу
Короваївської ЗОШ І-ІІІ ст.

Науковий керівник:
ійович
учитель фізики

Короваївської ЗОШ І-ІІІ ст.

Зміст

Факти про воду (дані ЮНЕСКО). 3

Вступ.. 4

Значення води для людини.. 4

Що таке вода. 5

Як з'явилася вода і скільки її на нашій планеті 5

Чи така вже й проста вода?. 7

Будова молекул води.. 13

Дослідники знайшли у води ще одну дивну властивість.. 16

Аномалії фізичних і хімічних властивостей води.. 17

Міцніше сталі 20

Аномалія щільності та в’язкості води.. 22

В'язкість води.. 23

Визначення показника заломлення води.. 24

Пам’ять води.. 25

Висновок.. 27

Використані матеріали.. 28

Факти про воду (дані ЮНЕСКО)

Нестача. Очікується, що до 2025 року 3,4 млрд. людей будуть жити в країнах, обумовлених як вододефіцитні.

Харчування. Для виробництва денного харчового раціону однієї людини потрібно наближено 3000 літрів води, тобто приблизно в тисячу разів більше, ніж наші потреби в питній воді.

Навколишнє середовище. Зв'язані з водою нещастя, такі, як цунамі, повені і засухи, займають друге по частоті і руйнівності місце з усіх видів стихійних лих після ураганів.

Попередження стихійних лих. За період років більш чоловік загинули в результаті 2557 стихійних лих, з яких 90 відсотків були пов’язані з водою.

Енергетика. На гідроенергетику приходиться не менш 50 відсотків виробництва електроенергії в 66 країнах і 19 відсотків у 24 країнах. В усьому світі сектор малих гідроелектростанцій приблизно виросте ще на 60 відсотків до 2010 року.

Проблеми трансграничних вод. Території 145 країн містять у собі трансграничні басейни, а 21 країна цілком входить у площу такого басейну. За останні піввіку було підписано приблизно 200 договорів, зв'язаних із трансграничними водними басейнами.

Культура. Майже у всіх основних релігіях світу вода наділена важливими символічними властивостями і церемоніальними функціями.

Санітарія. Один долар, інвестований у водопостачання і санітарію, може забезпечити, у залежності від регіону, повернення в тридцятичотирьохкратному розмірі.

Забруднення. У країнах, що розвиваються, більш 90 % каналізаційних і 70 % промислових стоків скидаються в поверхневі води без всякого очищення.

Сільське господарство. Зрошення дозволяє збільшити врожайність більшості культур на 100-400 відсотків. За наступні 30 років 70-відсоткове збільшення виробництва зернових буде досягнуто за рахунок зрошуваних площ.

Вступ

З глибин землі, відчувши силу,

Води живої джерело

З-під кручі цівкою забило,

Струмком співучим потекло.

У дружбі з ним квітують трави,

Зважнілі зерном колоски,

І спраглий день іде в заплави,

Черпа ту воду, п'є з руки.

Воно ж вирує в неспокої,

Відбивши сонце і блакить,

І вже, як сил душі людської,

Його не випить, не спинить.

(М. Масло)

Вода - дорогоцінний дарунок природи, що забезпечує життя на Землі. Природний розподіл її запасів не дуже зручний для людини: велику частину водної маси складають солоні моря й океани. Прісна вода доступна нам далеко не вся: значна її частина "законсервована" у виді льоду або знаходиться глибоко під землею. Лише частки відсотка земних ресурсів прісних вод доступні для використання. Положення ускладнюється тим, що усе більше росте потреба у воді й усе більше її витрачається. Не дивно, що наростаюча витрата цього важливого природного компонента всерйоз турбує людство. Сьогодні ми виразно відчуваємо вичерпність водних запасів.

Проблема розумного відношення до природи і використання її ресурсів здобуває найбільшу гостроту серед найважливіших проблем науки і техніки. Від того, наскільки оперативно і вірно вона буде вирішена, залежить здоров'я і добробут нині живучих і майбутніх поколінь людей.

Людське тіло в середньому на 70% складається з води. Ми розпочинаємо наше життя у вигляді плоду, який складається на 99% з води. Коли ми народжуємося, вода складає 90% нашого тіла, а до того часу, коли ми досягаємо дорослого віку, вміст води знижується до 70%. Якщо ми помираємо в глибокій старості, то наше тіло складається з води приблизно на 50%. Отже, протягом всього життя ми існуємо головним чином у вигляді води. Як можуть люди жити щасливим та здоровим життям? Відповідь проста – потрібно очистити воду, яка складає до 70% нашого тіла. Завдячуючи воді, яка переноситься кров’ю та внутрішніми речовинами організму, ми існуємо. З фізичної точки зору людина – це вода. Цей потік води дає нам можливість жити активним життям.

Значення води для людини

Вода сама по собі не має живильної цінності, але вона - неодмінна складова частина всього живого. Жоден з живих організмів нашої планети не може існувати без води.

З води складаються всі живі рослинні і тваринні істоти: риби - на 75%; медузи - на 99%; картопля - на 76%; яблука - на 85%; помідори - на 90%; огірки - на 95%; кавуни - на 96%. У цілому організм людини складається по вазі на 50-86% з води (86% у немовляти і до 50% у людей похилого віку). Вміст води в різних частинах тіла складає: кістки - 20-30%; печінка - до 69%; м'яза - до 70%; мозок - до 75%; бруньки - до 82%; кров - до 85%.

Протягом усього свого життя людина щодня має справу з водою. Вона використовує її для питва і їжі, для умивання, улітку - для відпочинку, узимку - для опалення.

Для людини вода є більш коштовним природним багатством, чим вугілля, нафта, газ, залізо, тому що вона незамінна.

Без їжі людина може прожити близько 50-ти днів, якщо під час голодування вона буде пити прісну воду, без води вона не проживе і тиждень - смерть наступить через 5 днів. За даними медичних експериментів при втраті вологи в розмірі 6-8% від ваги тіла людина впадає в напівнепритомний стан, при втраті 10% - починаються галюцинації, при 12% людина не може відновитися без спеціальної медичної допомоги, а при втраті 20% настає неминуча смерть.

Людина починає відчувати спрагу, коли кількість води в її тілі зменшується на 1-2% (0,5‑1,0л). Втрата 10% вологи від маси тіла може привести до необоротних змін в організмі, а втрата 20%л) уже смертельна.

Звичайна людина втрачає в день 2-3 літра води. У жарку погоду, при високій вологості, під час занять спортом витрата води зростає. Навіть при диханні людина втрачає майже півлітра води щодня.

Добова потреба дорослої людини у воді - 30-40 грам на 1 кг ваги тіла. Приблизно 40% щоденної потреби організму у воді задовольняється з їжею, інше ми повинні приймати у виді різних напоїв. Улітку щодня потрібно вживати 2 - 2,5 літри води. У жарких районах планети - 3,5 - 5,0л на добу, а при температурі повітря 38-40 оС за низької вологості працюючи на відкритому повітрі буде потрібно на добу 6,0 - 6,5л води. При цьому не можна орієнтуватися на те, відчуваємо ми спрагу чи ні, оскільки цей рефлекс виникає вже пізно і не є адекватним показником того, скільки води потрібно нашому організмові.

Цікаво довідатися, що в кашах міститься до 80% води, у хлібі - близько 50%, у м'ясі ‑ 58‑67%, в овочах і фруктах - до 90% води, тобто "суха" їжа складається на 50-60% з води. А близько 3% (0,3л) води утвориться в самому організмі в результаті біохімічних процесів.

За деякими оцінками за 60 років життя людина випиває близько 50т води - цілу цистерну!

Що таке вода.

Як з'явилася вода і скільки її на нашій планеті

Ми не можемо прожити без води і декількох днів. Тим часом на протязы багатьох століть люди не тільки не знали, що вона собою являє, але не знали навіть, скільки її на Землі. І вже зовсім було неясно, як з'явилася вона на планеті.

Вода - активний творець нашої планети, один з її основних "будівельних матеріалів".

Мільярди років тому в холодній газопиловій хмарі, що згодом згустилася, спресувалась і стала Землею, вже містилася вода. Швидше за все, вона була у виді крижаного пилу. Це підтверджують дослідження Всесвіту. Установлено, що вихідні елементи для утворення води - водень і кисень - у нашій Галактиці належать до шести найпоширеніших речовин космосу.

Скупчення молекул води і гідрооксидних радикалів виявлені за межами Сонячної системи. У сузір'ях Кассіопеї й Оріона знайдені хмари, що складаються з молекул води. Розміри хмар колосальні – їх довжина в 40 разів перевищує відстань від Сонця до Землі. Нерідкі випадки падіння на Землю залишків кометних ядер - "посланців" далеких світів. Найчастіше вони являють собою гігантські брили льоду, що змерзлися з метаном, аміаком і мінеральними частками. Вага крижаних брил, що досягають Землі, може сягати сотень кілограмів.

Багаторічними дослідженнями геологічних процесів, що відбуваються на нашій планеті, академік АН України встановив, що саме вода і складові її елементи відігравали визначальну роль у всій геологічній історії Землі. Досліджуючи вміст кисню в складі земної кори, учений зробив висновок, що в утворенні протоземлі брала участь величезна кількість води. Крім цього, її елементи входили до складу основних компонентів вихідної хмари: водень - до складу гідридів металів, кисень - до складу оксидів.

Відповідно до теорії академіка , протоземна хмара поступово ущільнювалася і саморозігрівалася. Джерелом необхідної енергії служили процеси радіоактивного розпаду й ущільнення первинної речовини планети. З незапам'ятних часів у надрах планети відбуваються глибинні фізико-хімічні процеси. Там розвиваються дивовижні тиски і температури; вихідні речовини при цьому випробують складні перетворення. У результаті утворяться паро - і газоподібні з'єднання, причому більшість з них складається з води або складових її елементів.

Відповідно до геохімічної моделі нашої планети, створеної , земна кора, що складається з окислених порід, є своєрідним кисневим каркасом, а ядро планети складають гідриди декількох металів і частково карбід заліза. У зонах найвищих тисків і температур виділяються, переважно, водень і вуглеводні. Далі від центра планети ці речовини взаємодіють з окисленими породами - утворяться водяна пара і вуглекислий газ. Ці з'єднання постійно виділяються на поверхню через жерла вулканів, через усілякі наземні і підводні тріщини і розлами земної кори (мал.2).

За підрахунками , за всю історію існування Землі на її поверхню таким способом виділилося близько 3,4·109 км3 води. Третина цієї кількості в пароподібному стані залишила поверхню планети, а під впливом Сонця значна частина фотодисоціювала[1] на водень і кисень.

Інша маса води, мабуть, поступово склала гідросферу. З'явившись на поверхні планети таким складним шляхом, вода не стала інертним, пасивним середовищем. Разом з парами води виділялися не тільки оксиди вуглецю, але і з'єднання азоту, фосфору, сірки, що разом з киснем, вуглецем і воднем складають хімічну основу життя. Найбільш сприятливі умови для появи і розвитку життя створилися у водному середовищі. "Саме вода гідросфери з'явилася тим обов'язковим, незамінним середовищем, у якій відбувалося формування найбільш складних органічних сполук, що послужили надалі матеріалом для побудови тіл живих істот. Вода і зараз є найпростішим, але кількісно переважним хімічним компонентом "живої матерії" - усієї сукупності організмів, що населяють нашу планету", - так оцінює роль води у виникненні біосфери біохімік ін.

В даний час підрахунок кількості води на Землі виконаний із усією точністю, доступній сучасній науці. Цю роботу учені розробили в рамках програми Міжнародного гідрологічного десятиліття 1964...1974 р. Результати цієї роботи опубліковані в багатотомній праці "Світові водні ресурси і водний баланс земної кулі".

Встановлено, що гідросфера – океани, моря, ріки, озера, болота, атмосферна волога - вимірюється значною величиною -

1,385·109 км3 води, або 1,4·1019 т. Три четверті поверхні планети покриті водою.

Космонавти неодноразово відзначали, що з космосу Земля виглядає голубою планетою з відносно невеликими вкрапленнями суші. Блакитна планета? Мабуть, не планета, а тільки її тонка оболонка. Якщо розподілити усю воду рівномірно по поверхні земної кулі, середній радіус якого 6370 км, вийде плівка товщиною менш 3 км. Не багато води в загальному обсязі планети. До того ж, основну частину нашого водного потенціалу складає вода, якої не нап'єшся, не використаєш ні в промисловості, ні в сільському господарстві, ні в побуті - 97,75% або 1,338·109 км3, - це солоні води океанів і морів. Інші 2,25% - прісні води, однак, половина з них - 24·106 км3 - "законсервована" у виді крижаних гігантських шапок Антарктиди, Арктики, Гренландії, високих гір у різних районах Землі. Приблизно стільки ж води - 23,4·106 км3 - приховано від людських очей у товщі земної кори. Це підземні води.

Обсяг доступної прісної води обчислюється вже не мільйонами, а тисячами кубічних кілометрів. Більше всього прісної води на земній поверхні накопичено в озерах - 176,4·103 км3. Якщо на мить затримати плин усіх рік земної кулі, то виявилося б, що в їхніх руслах одночасно знаходиться 2120 км3 води.

Джерела безлічі рік, великих і малих знаходяться в болотах, що містять 10300 км3 прісної води. 13000 т води міститься в найближчих до земної поверхні шарах атмосфери. На висоті до 1 км концентрація водяної пари в повітрі в середньому складає 2%.

От, мабуть, і уся вода, на яку може реально розраховувати людство тепер і в найближчому майбутньому.

Чи така вже й проста вода?

Якось переглядаючи телепрограму присвячену продуктам харчування, мене зацікавило повідомлення ведучого про те що в 70-х – 80-х роках в Радянському Союзі здійснювалися спецрейси по доставці реліктового льоду з Антарктиди, який опісля використовувався для приготування страв для перших осіб держави. Наприклад для Брежнєва літаком з Антарктиди доставляли керни реліктового льоду - це продовжило його життя, як стверджують вчені, на кілька років.

Колись наша Земля була покрита рослинністю, у порівнянні з якою сьогоднішні джунглі Амазонки - просто хирлявий міський скверик. Дивовижні хвощі, гігантські папороті з могутніми деревоподібними стовбурами, що сягають хмар, 50-метрові ліси лепідодендронів. І куди зникло все це буйство життя?

Так нікуди воно не зникло, просто скам'яніло і змінилося, говорять підручники. Весь цей колись "живий" вуглець, що входив до складу древньої рослинності, ми зараз добуваємо із шахт та скважин як кам'яне вугілля і нафту. Але щось не сходиться - відомо, що загальна маса живої речовини на планеті була набагато більша, ніж зараз. Схоже, на якомусь етапі солідна частка цього вуглецю була попросту виключена з життєвого кругообігу - тому все навколо нас так і подрібніло!

Так що ж відбулося? Може, похолодало на планеті? Так ні - і тоді в теплих районах Землі температура коливалася в тих же порівняно вузьких межах 20-30 градусів. То що ж тоді? На це в учених самих різних спеціальностей існує безліч гіпотез. Анітрошки не бажаючи з ними сперечатися, київський генетик професор Геннадій Бердишев висунув свою гіпотезу. Він упевнений: уся справа у воді. Не просто набагато чистіша вона була тоді на нашій планеті, а й іншою за складом, зокрема по вмісту важких ізотопів водню дейтерію і тритію куди нижче сучасного рівня.

"Першими у світі, незабаром після війни, цією проблемою почали займатися ми в Томську, - розповідає вчений. - Тоді там був побудований другий у СРСР завод з виробництва плутонію, і до ректора найбільшого в Сибіру медінституту академіка І. В. Торопцева звернулися учені відразу з двома, як зараз говорять, проектами. Фізики-атомники переконували негайно починати роботу над використанням сконструйованого ними генератора гамма-променів у біології і медицині. А фізик Борис Родімов пропонував вивчати дію на біологічні об'єкти води з різним вмістом дейтерію і тритію - він тільки що знайшов, що в реліктовому, ще з мезозойської ери, льодові Якутії цих ізотопів на 30-35% менше, ніж у нашій звичайній річковій воді".

Торопцев прийняв обидві ці пропозицій. Він відразу зрозумів важливість обох тем. В ті роки багато співробітників Томського медінституту їх вивчали: одну - зв'язану з бетатроном, іншу - з водою.

Усі знають, що вода - два атоми водню й одного кисню. Але у водню є кілька ізотопів. Атом з одним протоном і одним електроном називається протій. З двома протонами - дейтерій, за його відкриття американський фізико-хімік Гарольд Юрі одержав Нобелівську премію. А є ще і тритій, де два протони й один нейтрон. Він радіоактивний, його відкриття в перші роки взагалі тримали в секреті. На Землі кількість тритію надзвичайно мала, усього яких-небудь 25-30 кг.

Зараз промислове виробництво важкої води (дейтерієвої з мізерним змістом тритію) постійно росте майже у всіх країнах, що особливо володіють ядерною зброєю. І зрозуміло, чому: один грам дейтерію може в перспективі дати енергії в 10 мільйонів разів більше, ніж згорання одного грама вугілля! А його запаси у світовому океані колосальні, десь близько 1018 тонн.

Проводячи експерименти, виявили: якщо клітини, що живуть у протієвій воді, поділяються за своє життя десь близько 60 разів, у дейтерієвій - 40, а тритієвій - узагалі 20 разів, не більше. Протієву воду одержували з того самого реліктового мезозойського льоду, відкритого Родімовим, - його в холодильних вагонах привозили з Якутії. Це було неймовірно дорого.

Торопцев протієву воду давав хворим з важким розладом серцево-судинної діяльності і порушенням обміну речовин, що лежали в інститутській клініці. Усього за три місяці досліджень в усіх знизився вміст холестерину в крові і налагодився обмін.

А в Родімова була своя ділянка роботи. Він домовився з декількома головами радгоспів і колгоспів і почав поливати в них на полях легкою водою проростки пшениці - врожайність підвищилася суттєво. Ставив він і інші досвіди: у мишей удвічі підвищувалася плідність, курки-несучки починали нести більше яєць і т. д. Ці результати були опубліковані ще в 1950 році.

Що стосується тритію, то хоч все-таки він у дуже невеликих кількостях і присутній у питній воді, але за час людського життя через організм може пройти ціла цистерна тритієвої води. Вона ушкоджує наші гени і приносить передчасне старіння та смерть.

Саме професор Геннадій Бердишев з групою вчених розробив технологію одержання унікальної води, що має структуру талої крижаної і в якій на 25-41% менше дейтерію і тритію, чим у звичайній. А разом з московським Інститутом медико-біологічних проблем, з професором Ю. Е. Синцем зокрема, було розроблено методи одержання легкої води для космонавтів.

На орбіті одержують два літри в день і додають у звичайну питну. Справа в тім, що частина найлегшої, протієвої фракції води вони видихають, і цю пару спеціальні системи випускають у космос. А важкі дейтерій і тритій мають властивість в організмі накопичуватися за рахунок того, що утворюють більш міцні зв'язки. Все одно це не дає космонавтам можливості тривалий час знаходитися в польоті - але ж зараз вже йде мова про експедиції на Місяць і Марс. Безпечне дешеве одержання легкої води в космосі просто життєво необхідне.

В домашніх умовах зробити це досить складно. Хоча ми, використовуючи рекомендації професора Геннадія Бердишева, спробували виділити та дослідити деякі властивості протієвої води. Наливши велику каструлю, винесли її на мороз. Перший лід зняли, саме у ньому й утримується важкий дейтерій і тритій, одна ця процедура зменшує їхній вміст, за словами вченого, на 10%. Заморожуємо ще два-три рази. Потім воду розливаємо в пластмасові пляшки і ставимо в морозилку. І весь "бруд" замерзає в середині, а по краях залишається прозора вода. У результаті, коли пляшка витягується з холодильника і відтає, дейтерієво-тритієвий лід тане в останню чергу. А вода, що ми зливаємо, в основному складається з легкої, протієвої.

"Найпростіше стійке з'єднання водню з киснем", - таке визначення води дає Коротка хімічна енциклопедія. Усе вірно, тільки найпростіше в хімії - це далеко не просте.

До XІ століття люди не знали, що вода - хімічна сполука. Її вважали звичайним хімічним елементом. Лише в 1805 році Олександр Гумбольдт і Жозеф Луі Гей-Люсак установили, що вода складається з молекул, кожна з яких містить два атоми водню й один кисню.

Після цього понад сто років всі й усюди вважали, що вода - індивідуальне з'єднання, що описується єдино можливою формулою H2O.

Недостатність цього положення з'ясувалася лише в 1932 році. Світ облетіла сенсація: крім води звичайної, у природі існує ще і важка вода. У молекулах такої води місце водню займає його важкий ізотоп - дейтерій.

Важку воду відкрили американські фізики Гаральд Юрі і Эльберт Осборн. У 1933 році американець Герберт Льюіс разом з Річардом Макдональдом уперше виділили її в чистому виді.

У невеликих кількостях важка вода постійно і повсюдно присутня у природних водах, зовні зовсім не відрізняючись від звичайної води. Розрізнити їх можна лише за фізичними характеристиками. У молекулу важкої води входять атоми не легкого водню - протію (1H), а його ізотопу - дейтерію (D), атом якого на одиницю важче протієвого, отже, молекулярна маса[2] важкої води на 2 одиниці більша: 20 а. о.м., а не 18 а. о.м.

Формула важкої води D2O. Вона на 10% щільніше звичайної, її в'язкість вище на 23%. Вона кипить при 101,42°С, а замерзає при +3,8°С.

Такі особливості дозволяють зрозуміти нерівномірність вмісту важкої води в тих або інших природних водах. Наприклад, у замкнутих водоймах її більше, тому що в порівнянні зі звичайною водою вона випаровується менш інтенсивно. Тому важкої води більше в місцевостях з жарким кліматом. Збагачується дейтерієм і поверхня океану на екваторі й у тропіках, тим більше що свою лепту вносять часті атмосферні опади, при утворенні яких йдуть процеси конденсації води з парової фази (див. далі), а важка вода конденсується швидше, ніж легка, отже, опади збагачені важкою водою. Однак для океанської поверхні підвищений вміст важкої води характерний лише на низьких широтах.

Поблизу полюсів свої особливості. У високих південних широтах (в Антарктиці) океанські води помітно "легші". У цьому проявляється вплив талих вод антарктичних айсбергів, що відрізняються найбільш низьким вмістом дейтерію на планеті.

Невелика частка дейтерію є і в льодах Гренландії, проте, океанські води високих північних широт збагачені важкою водою. Отут проявляється танення "важких" арктичних льодів.

Власне важка вода D2O у природі знаходиться в незначних кількостях - у мільйонних частках відсотка. Переважає її різновид, склад якого можна виразити формулою HDO.

Важка вода - дуже важлива промислова сировина, ефективний сповільнювач швидких нейтронів. Тому вже зараз її широко застосовують у різних реакторних установках. А в майбутньому важка вода може стати сировиною для термоядерної енергетики: 1 м3 дейтерію при термоядерному розпаді дає в 10 млн. раз більше енергії, чим 1 м3 вугілля при згорянні. У Світовому океані міститься 1015 тонн HDO.

Відкриття останніх років показали, що важка вода відіграє чималу роль у біологічних процесах. Це і зрозуміло, адже вона є постійною і повсюдною домішкою природних вод. Систематичне вивчення її впливу на тварини і рослини почато порівняно недавно. Різні дослідники незалежно один від одного встановили, що важка вода діє негативно на життєві функції організмів; це відбувається навіть при використанні звичайної природної води з підвищеним вмістом важкої води (мал. 3).

Мал. 3. Виживання організмів у воді, що містить дейтерій

Піддослідних тварин напували водою, 1/3 частина якої була замінена водою складу HDO. Через недовгий час починався розлад обміну речовин тварин, руйнувалися бруньки. При збільшенні частки важкої води тварини гинули.

На розвиток вищих рослин важка вода також діє пригнічуючи; якщо їх поливати водою, на половину, що складається з важкої води, ріст припиняється (мал. 4).

Нами був проведений експеримент з використанням протієвої та дейтерієвої води отриманої з використанням рекомендацій професора Геннадія Бердишева, про що описано вище, та дослідження впливу отриманої води на швидкість та якість проростання насіння огірків. На фото 5 та 6 в червоній посудині зображено насіння яке замочувалося та поливалось протієвою водою, в жовтій – дейтерієво-тритієвою. Візуально спостерігалось помітне випередження розвитку при використанні протієвої води.
мал. 4 мал. 5
мал. 6 а мал.7 мал. 8

Паралельно був проведений експеримент по пророщуванню насіння з використанням талої води, води що залишилася після відбору льоду (в неї було «видавлено» льодом при замерзанні розчинені сполуки, тобто збільшилася їх концентрація ), та звичайної води. За наслідками експерименту було зроблено наступні висновки:
- найкраща енергія проростання та росту спостерігалася при використанні талої води (мал. 7), та протієвої води;
- найгірша енергія проростання та росту спостерігалася при використанні води що залишилася після відбору льоду(мал. 8);

Та це й не дивно. Провівши аналіз на кислотність ми помітили суттєве підкислення води що лишилася після відбору льоду(див. фото10).

мал. 10 Аналіз на кислотність. Зліва - вода що залишилася після відбору льоду, справа – тала вода.

Безсумнівним є той факт, що, змінюючи кількісний вміст дейтерію в рослинному або тваринному організмі, ми можемо прискорювати або сповільнювати хід життєвих процесів.

Відкриття важкої води стало поштовхом до з'ясування фракційного складу води. Незабаром була виявлена надважка вода Т20. У її складі місце водню займає його природний ізотоп, ще більш важкий, чим дейтерій. Це тритій (Т), він радіоактивний, атомна маса його дорівнює 3. Тритій зароджується у високих шарах атмосфери, де йдуть природні ядерні реакції. Він є одним із продуктів бомбардування атомів азоту нейтронами космічного випромінювання. Щохвилини на кожний квадратний сантиметр земної поверхні падають 8...9 атомів тритію.

У невеликих кількостях надважка (тритієва) вода попадає на Землю в складі опадів. В усій гідросфері одночасно нараховується лише близько 20 кг Т20. Тритієва вода розподілена нерівномірно: у материкових водоймах її більше, ніж в океанах; у полярних океанських водах її більше, ніж в екваторіальних. По своїх властивостях надважка вода ще помітніше відрізняється від звичайної: кипить при 104°С, замерзає при 4...9°С, має густину 1,33 г/см3.

Надважку воду застосовують у термоядерних реакціях. Вона зручніша дейтерієвої, тому що її легше визначити.

Перелік ізотопів водню не кінчається тритієм. Штучно отримані і більш важкі ізотопи 4H та 5H, також радіоактивні.

Таким чином, можливе існування молекул води, у яких утримуються будь-які з п'яти водневих ізотопів у будь-якому сполученні.

Цим не вичерпується складність ізотопного складу води. Існують також ізотопи кисню. У періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва значиться усім відомий кисень 16O. Існують ще два природних ізотопи кисню - 17O і 18O. У природних водах у середньому на кожні 10 тисяч атомів ізотопу 16O приходиться 4 атоми ізотопу 17O і 20 атомів ізотопу 18O.

За фізичними властивостями важкокиснева вода менше відрізняється від звичайної, чим важководнева. Одержують її в основному перегонкою природної води і використовують як джерело препаратів з міченим киснем.

Крім природних, існують і шість штучно створених ізотопів кисню. Як і штучні ізотопи водню, вони недовговічні і радіоактивні. З них: 13O, 14O і 15O - легені, 19O і 20O - важкі, а надважкий ізотоп - 24O отриманий у 1970 році.

Існування п'яти водневих і дев'яти кисневих ізотопів говорить про те, що ізотопних різновидів води може бути 135.

Найбільш поширені в природі 9 стійких різновидів води:

1H216O	1H2D16O	1D216O
1H217O	1H2D17O	1D217O
1H218O	1H2D18O	1D218O

Основну масу природної води - понад 99% - складає протієва вода - 1H216O. Важкокисневих вод набагато менше: 1H218O - десяті частки відсотка.

1H217O - соті частки від загальної кількості природних вод. Тільки мільйонні частки відсотка складає важка вода D2O, зате у формі HDO важкої води в природних водах утримується вже помітна кількість.

T216O	1HT16O	DT16O
T217O	1HT17O	DT17O
T218O	1HT18O	DT18O

Ще рідше, ніж D2O, зустрічаються і дев'ять радіоактивних природних видів води, що містять тритій:

З усією науковою строгістю класичною водою варто вважати протієву воду 1H216O у чистому виді, тобто без найменших домішок інших 134 ізотопних різновидів. І хоча вміст протієвої води в природі значно перевищує вміст всіх інших разом узятих видів, чистої 1H216O у природних умовах не існує. В усім світі таку воду можна відшукати лише в деяких спеціальних лабораторіях. Її одержують дуже складним шляхом. Для одержання чистої 1H216O проводять дуже тонке, багатоступінчасте очищення природних вод або синтезують воду з вихідних елементів 1H2 і 16O, що попередньо ретельно очищають від ізотопних домішок. Таку воду застосовують в експериментах і процесах, що вимагають виняткової чистоти хімічних реактивів.

Формально протієву воду можна було б назвати легкою водою, але чиста 1H216O - рідкість. Тому робочим еталоном легкої води вважають суміш різновидів води складу 1H216O, 1H217O і 1H218O, узятих у тім же співвідношенні, у якому присутні в повітрі відповідні ізотопи кисню. Виходить, що, широко оперуючи поняттям "легка вода", ми не можемо представити її однорідною формулою.

Термін "важка вода" на практиці також не має еквівалента. Вода, що відповідає формулі D218O, що саме і варто було б вважати важкою дійсною водою, фактично заміняється сумішшю різновидів води з постійною водневою частиною (тут це дейтерій) і зі вмістом ізотопів кисню відповідно до ізотопного складу повітря.

От яке непросте це "найпростіше" поєднання - вода. Надалі, говорячи про воду і називаючи її загальноприйняту формулу Н2O, будемо мати на увазі, що склад води, навіть цілком звільненої від мінеральних і органічних домішок, складний і різноманітний.

Будова молекул води

"Світ чарівний і фантастичний", - такими словами лауреат Нобелівської премії Альберт Сент-Дьєрдьї характеризує відчуття дослідника, що вивчає структуру води. Результати тим сильніше вражають, що дуже вже звичайний сам об'єкт вивчення.

Отже, молекула води (1H216O) складається з двох атомів водню (1H) і одного атома кисню (16O). Виявляється, що навряд чи не все різноманіття властивостей води і незвичайність їхнього прояву визначається, у кінцевому рахунку, фізичною природою цих атомів, способом їхнього об'єднання в молекулу й угрупованням молекул, що утворилися.

В окремо розглянутій молекулі води атоми водню і кисню, точніше їхнього ядра, розташовані так, що утворять рівнобедрений трикутник. У вершині його - порівняно велике кисневе ядро, у кутах, що прилягають до підстави, - по одному ядру водню. Модель молекули води, запропонована Нільсом Бором, показана на мал. 11.

Відповідно до електронної будови атомів водню і кисню молекула води розташовується п'ятьма електронними парами. Вони утворять електронну хмару. Хмара неоднорідна - у ньому можна розрізнити окремі згущення і розрідження. У кисневого ядра створюється надлишок електронної щільності. Внутрішня електронна пара кисню рівномірно обрамляє ядро: схематично вона представлена окружністю з центром - ядром O2- (мал. 11а). Чотири зовнішніх електрони групуються в дві електронні пари, що тяжіють до ядра, але частково не скомпенсовані. Схематично сумарні електронні орбіталі цих пар показані у виді еліпсів, витягнутих від загального центра - ядра O2-. Кожний із що залишилися двох електронів кисню утворить пари з одним електроном водню. Ці пари також тяжіють до кисневого ядра. Тому водневі ядра - протони - виявляються трохи оголеними, і тут спостерігається недолік електронної щільності.

Таким чином, у молекулі води розрізняють чотири полюси зарядів: два негативних (надлишки електронної щільності в області кисневого ядра) і два позитивних (недоліки електронної щільності в двох водневих ядер). Для більшої наочності можна представити, що полюси займають вершини деформованого тетраедра, у центрі якого знаходиться ядро кисню (мал. 11б).

Рис. 11. Будова молекули води

а - кут між зв'язками O-H;

б - розташування полюсів заряду;

в - зовнішній вигляд електронної хмари молекули води.

Майже куляста молекула води має помітно виражену полярність, тому що електричні заряди в ній розташовані асиметрично. Кожна молекула води є мініатюрним диполем з високим дипольним моментом - 1,87 дебая[3]. Під впливом диполів води в 80 разів слабшають міжатомні або міжмолекулярні сили на поверхні речовини, що занурена в неї. Інакше кажучи, вода має високу діелектричну проникність, найвищу з усіх відомих нам з'єднань.

Багато в чому завдяки цьому, вода виявляє себе як універсальний розчинник. Її розчинюючій дії тією чи іншою мірою підвластні і тверді тіла, і рідини, і гази.

Постійно стикаючись із усілякими речовинами, вода фактично завжди являє собою розчин різного, найчастіше дуже складного складу. Навіть з дощової води, можна виділити різні мінеральні й органічні речовини, розчинені в ній (до декількох десятків міліграмів на літр).

У прісних природних водах - річкових, озерних - зміст розчинених речовин звичайно не перевищує 1 г/л. Від декількох одиниць до десятків грамів на літр коливається зміст солей у морській воді: наприклад, у Балтійському морі їх не більше 5 г/л, у Чорному - 18, а в Червоному морі - близько 40 г/л. У середньому в 1 л океанської води розчинено 34...35 мг солей. Загальна кількість їх настільки велика, що, виділені з води, вони покрили б поверхню земної кулі шаром стометрової товщини.

Сольовий склад річкових і морських вод різний не тільки кількісно, але і якісно. На 89% морські солі складаються з хлоридів (переважно - натрію і кальцію), на 10% - із сульфатів (натрію, калію і магнію), на 1% - з карбонатів (натрію і кальцію), а також незначних кількостей інших солей. У прісних водах набір мінеральних домішок виглядає інакше. Більше всього тут карбонатів (натрію і кальцію) - до 80%. Сульфатів (натрію, кальцію і магнію) - близько 13%. Інші 7% приходяться на хлориди (натрію і кальцію) і інші солі.

З газів у прісних і морських водах найбільше широко представлені кисень, азот, вуглекислий газ, сірководень. У чистих холодних джерелах гірських рік зміст кисню може досягати 6 мг/л. У глибинних шарах Чорного моря висока концентрація сірководню - до 100 мг/л. Цей отрутний газ присутній і в нижніх шарах деяких озер.

У прісних і морських водах у невеликих кількостях маються і різноманітні органічні компоненти - розчинні з'єднання типу білків, цукрів, спиртів, вуглеводнів і т. п. Це продукти життєдіяльності і розпаду тваринних і рослинних організмів, що населяють водойми і їхні береги, а також відходи промисловості і сільського господарства.

Полярність молекул води, наявність у них частково нескомпенсованих електричних зарядів породжує схильність до угруповання молекул в укрупнені "співтовариства" - кластери. Виявляється, цілком відповідає формулі Н2O лише вода, що знаходиться в пароподібному стані. Це показали результати визначення молекулярної маси водяної пари. У температурному інтервалі від 0 до 100°С концентрація окремих (мономірних молекул) рідкої води не перевищує 1%. Всі інші молекули води об'єднані в кластери різного ступеня складності.

Рис.12. Схема об'єднання молекул води

Безпосередньою причиною утворення кластерів є водневі зв'язки. Вони виникають між ядрами водню одних молекул і електронними "згущеннями" у ядер кисню інших молекул води. Правда, ці зв'язки в десятки разів слабкіше, ніж "стандартні" внутрімолекулярні хімічні зв'язки, і досить звичайних рухів молекул, щоб зруйнувати них. Але під впливом теплових коливань так само легко виникають і нові зв'язки цього типу.

Кисень Водень хімічні зв’язки водневі зв’язки

Оскільки електронні орбіталі в кожній молекулі води утворять тетраедричну структуру, водневі зв'язки можуть упорядкувати розташування молекул води у виді тетраедричних координованих кластерів (мал. 12).

Можливі й інші моделі водної структури. Тетраедричні зв'язані молекул води утворять своєрідні рої досить стабільного складу. Простір між роями заповнюють моно-молекули води.

Дослідники розкривають усе більш тонкі і складні механізми "внутрішньої організації водної маси. Крім льодоподібної структури, рідкої води і мономірних молекул, описаний і третій елемент структури - нететраедричної.

Незвичайні властивості води пояснюються здатністю її молекул утворювати міжмолекулярні асоціати. Завдяки цим впливам молекули води здатні утворювати як випадкові асоціати, тобто не мають упорядкованої структури, так і кластери - асоціати, що мають визначену структуру (рис. 13).

У результаті досліджень структури чистої води, проведених д. б.н. іним (Федеральний науковий клініко-експериментальний центр Мінздраву Росії), були виявлені стабільні довгоживучі кластери води (рис. 14). Розрахунки показали, що вода являє собою ієрархію правильних об'ємних структур, в основі яких лежить кристалоподібні утворення, що складаються з 57 молекул і взаємодіючі один з одним за рахунок вільних водневих зв'язків. Це приводить до появи структур другого порядку у виді шестигранників, що складаються з 912 молекул води. Властивості кластерів залежать від того, у якому співвідношенні виступають на поверхню кисень і водень. Конфігурація елементів води реагує на будь-який зовнішній вплив і домішки, що пояснює надзвичайно лабільний характер їхньої взаємодії.

Рис.13 Структурні моделі води (ліворуч) і льоду (праворуч). У рідкій воді водневі зв'язки декількох сусідніх молекул утворять непостійні, дуже швидкоплинні структури. В льоді кожна молекула води жорстко зв'язана з чотирма іншими.

Між гранями елементів кластерів діють далекі кулонівські сили притягання, що дозволяє розглядати структурований стан води у виді особливої інформаційної матриці. ін у своїх роботах довів, що молекули води в таких утвореннях можуть взаємодіяти між собою за принципом зарядової комплементарності, відомій науці у дослідженнях ДНК, за рахунок якої здійснюється побудова структурних елементів води в осередки (клатрати), що спостерігається за допомогою контрастного-фазового мікроскопа. Припускають, що головною матрицею для синтезу першої ДНК служила вода, що є інформаційною основою всіх біохімічних процесів і життя.

Визначена частина молекул води асоційована не в тривимірні каркаси, а в лінійні кільцеві об'єднання. Кільця, групуючи, утворять ще більш складні комплекси кластерів.

Дослідники знайшли у води ще одну дивну властивість

Ельмар Фукс і його колеги з технологічного університету Граца (Австрія) знайшли, що під впливом постійного електричного поля чиста вода може утворювати довгий висячий місток між двома склянками. У поставленому досліді сильне електричне поле було створено за допомогою двох вставлених у мірні склянки електродів (напруга між ними складала 15 кіловольт). Воно змусило воду (тричі деіонізовану) вибратися зі склянок (до краю було близько 3 мм) і, перетинаючи порожній простір між ними (спочатку відстань була близькою до 1 мм), зустрітися і сформувати між склянками місток. Вченим удалося розсунути склянки на відстань 25 мм, при цьому циліндричний місток (його діаметр мінялася від 1 до 3 мм) залишався цілим протягом 45 хвилин від початку експерименту навіть при напрузі 25 кіловольт. Потім (а також при відключенні електричного струму) місток під дією сил поверхневого натягу розпадався на краплі.

Ретельно досліджуючи дане явище різними методами, учені з'ясували, що:
- усередині містка відбувається перенос речовини (звичайно із судини, у якому знаходився анод, у судину з катодом), при цьому які-небудь закономірності не виявлені;
- щільність води біля самих країв склянок і в центрі містка розрізняється на 7%;
- чим далі склянки один від одного і чим більше часу пройшло з початку експерименту, тим сильніше розігрівається місток (від 20 до 60°С). Дослідники припустили, що це пов'язано із забрудненням води частками пилу (тоді, якщо вважати місток провідником струму, його опір збільшується);
- усередині містка відбуваються високочастотні коливання (і їхня поява обумовлена не поверхневим натягом), що формують різні внутрішні структури, що змінюються з часом і збільшенням температури містка;
- при додаванні яких-небудь іонів (наприклад, при введенні в склянки мильного розчину) місток не утвориться, тому що іони взаємодіють з молекулами води і утворять навколо себе сфери з цих молекул. Як наслідок, якщо хлюпнути мило прямо в ході досліду, внутрішня структура містка руйнується, і він розбивається на краплі;
- місток чуттєвий до впливу зовнішніх електричних полів. Електростатичний заряд на скляній паличці, піднесеної до переправи, викликає вигин містка убік скляної палички й утворення своєрідної арки.

Чому вода так поводиться, Фукс поки пояснити не може. Однак вважає, що пояснення можна одержати, якщо зрозуміти високовпорядковану мікроструктуру води, що утвориться в містку під впливом електричного поля й електростатичних зарядів. Це буде ще одним шматочком у великій головоломці внутрішньої структури води.

Вивчення структури рідкої води ще не закінчено; воно дає всі нові факти, поглиблюючи й ускладнюючи наші представлення про навколишній світ. Розвиток цих представлень допомагає нам зрозуміти багато аномальних властивостей води й особливості взаємодії її, як розчинника, з іншими речовинами.

Аномалії фізичних і хімічних властивостей води

У періодичній системі елементів Д. І. Менделєєва кисень утворює окрему підгрупу. Вона так і називається: підгрупа кисню.

Кисень, сірка, селен і телур, що входять в неї, мають багато загального у фізичних і хімічних властивостях. Спільність властивостей простежується, як правило, і для однотипних з'єднань, утворених членами підгрупи. Однак для води характерне відхилення від правил.

З найлегших з'єднань підгрупи кисню (а ними є гідриди) вода – найбільш легка. Фізичні характеристики гідридів, як і інших типів хімічних сполук, визначаються положенням у таблиці елементів відповідної підгрупи. Так, чим легший елемент підгрупи, тим вища летючість його гідриду. Тому в підгрупі кисню найвищою повинна бути летючість води - гідриду кисню.

Ця ж властивість дуже виразна виявляється й у здатності води "прилипати" до багатьох предметів, тобто змочувати їх. Поверхня скла водою змочується, оскільки в склі є досить багато атомів кисню, і вода легко утворює гідрогенні зв'язки не тільки з іншими молекулами води, але і з атомами кисню. Якщо ж змазати поверхню скла жиром, водневі зв'язки з поверхнею утворюватися не будуть, і вода збереться в крапельки під впливом внутрішніх водневих зв'язків, що обумовлюють поверхневий натяг. При вивченні цього явища установили, що всі речовини, що легко змочуються водою (глина, пісок, скло, папір і ін.), обов’язково мають у своєму складі атоми кисню. Для пояснення природи змочування цей факт виявився ключовим: енергетично неврівноважені молекули поверхневого шару води одержують можливість утворювати додаткові водневі зв'язки з "сторонніми" атомами кисню. Завдяки поверхневому натягові і здатності до змочування, вода може підніматися у вузьких вертикальних каналах на висоту більшу чим та, котра допускається силою ваги, тобто вода має властивість капілярності.

Капілярність відіграє важливу роль у багатьох природних процесах, що відбуваються на Землі. Завдяки цьому вода змочує товщу ґрунту, що лежить значно вище дзеркала ґрунтових вод і доставляє кореням рослин розчини живильних речовин. Капілярністю обумовлений рух крові і тканинних рідин у живих організмах.

Найвищими виявляються у води саме ті характеристики, що повинні були б бути найнижчими : температури кипіння і замерзання, теплоти пароутворення і плавлення.

Кластерність води позначається і на дуже високій питомій теплоті її пароутворення. Щоб випарувати воду, уже нагріту до 100°С, потрібно вшестеро більше кількості теплоти, чим для нагрівання цієї ж маси води на 80°С (від 20 до 100°С).

Щохвилини мільйон тонн води гідросфери випаровується від сонячного нагрівання. У результаті в атмосферу постійно надходить колосальна кількість теплоти, еквівалентна тому, яке б виробляли 40 тисяч електростанцій потужністю 1 млрд. кіловат кожна.

При плавленні льоду чимало енергії іде на подолання кластерних зв'язків крижаних кристалів, хоча і вшестеро менше, ніж при випаровуванні води. Молекули Н2O фактично залишаються в тому ж середовищі, міняється лише фазовий стан води.

Питома теплота плавлення льоду більш висока, чим у решти речовин, вона еквівалентна витраті кількості теплоти при нагріванні 1 м3 води на 80°С (від 20 до 100°С).

При замерзанні води відповідна кількість теплоти надходить у навколишнє середовище, при таненні льоду - поглинається. Тому крижані маси, на відміну від мас пароподібної води, є свого роду поглиначами тепла в середовищі з плюсовою температурою.

Рис 16.Приклад ближнього порядку молекул рідини і далекого порядку молекул кристалічної речовини: 1 – вода; 2 – лід.

Аномально високі значення питомої теплоти паротворення води і питомої теплоти плавлення льоду використовуються людиною у виробничій діяльності. Знання природних особливостей цих фізичних характеристик іноді підказує сміливі й ефективні технічні рішення. Так, воду широко застосовують у виробництві як зручний і доступний охолоджувач у найрізноманітніших технологічних процесах. Після використання воду можна повернути в природну водойму і замінити свіжою порцією, а можна знову направити на виробництво, попередньо остудивши в спеціальних пристроях - градирнях.

На багатьох металургійних виробництвах Донбасу як охолоджувач використовують не холодну воду, а окріп. Охолодження йде за рахунок використання теплоти пароутворення - ефективність процесу підвищується в кілька разів, до того ж відпадає потреба в спорудженні громіздких градирень. Звичайно, окріп-охолоджувач використовують там, де потрібно охолодити об'єкти, нагріті вище 100°C. А от приклад зовсім з іншої області людської діяльності - сільського господарства, садівництва. Коли пізньою весною раптові нічні заморозки загрожують квітучим плодовим деревам, досвідчені садівники знаходять вихід, що здається зовсім несподіваним: вони проводять дощування саду. Завіса дрібних водних бризів огортає замерзаючі дерева. Крапельки води покривають пелюстки квітів. Перетворюючись в лід, вода надягає на квіти крижану шубу, віддаючи при цьому їм своє тепло.

Широке застосування води як охолоджувача ґрунтується не тільки і не стільки на її доступністі і дешевизні. Дійсну причину потрібно теж шукати в її фізичних особливостях. Виявляється, вода володіє ще одною чудовою здатністю - високою теплоємністю. Поглинаючи величезну кількість теплоти, сама вода істотно не нагрівається. Питома теплоємність води в п'ять разів вища, ніж у піску, і майже в десять разів вища, ніж у заліза.

Здатність води накопичувати великі запаси теплової енергії дозволяє згладжувати різкі температурні коливання на земній поверхні в різні пори року й у різний час доби. Завдяки цьому вода є основним регулятором теплового режиму нашої планети.

Цікаво, що теплоємність води аномальна не тільки за своїм значенням. Питома теплоємність різна при різних температурах, причому характер температурної зміни питомої теплоємності своєрідний: вона знижується в міру збільшення температури в інтервалі від 0 до 37°С, а при подальшому збільшенні температури - зростає. Мінімальне значення питомої теплоємності води виявлено при температурі 36,79°С, але ж це нормальна температура людського тіла! Нормальна температура майже всіх теплокровних живих організмів також знаходиться поблизу цієї точки.

Виявилося, що при цій температурі здійснюються і мікрофазові перетворення в системі "рідина - кристал", тобто "вода - лід". Установлено, що при зміні температури від 0 до 100°С вода послідовно проходить п'ять таких перетворень. Назвали їх мікрофазовими, тому що довжина кристалів мікроскопічна, не більш 0,2...0,3 нм. Температурні границі переходів - 0, 15, 30, 45, 60 і 100°С.

Температурна область життя теплокровних тварин знаходиться в границях третьої фази (30...45°С). Інші види організмів пристосувалися до інших температурних інтервалів. Наприклад, риби, комахи, ґрунтові бактерії розмножуються при температурах, близьких до середини другої фази (23...25°С), ефективна температура весняного пробудження насіння приходиться на середину першої фази (5...10°С).

Характерно, що явище проходження питомої теплоємності води через мінімум при температурній зміні має своєрідну симетрію: при негативних температурах також виявлено мінімум цієї характеристики. Він приходиться на - 20°С.

Якщо вода нижче 0°С зберігає рідкий стан, наприклад, будучи дрібнодисперсною, то біля -20°С різко збільшується її теплоємність. Це установили американські вчені, досліджуючи властивість водних емульсій, утворених крапельками води діаметром близько 5 мікронів.

Поглиблене вивчання фізичного змісту і напрямків практичного застосування даного явища ще чекають своїх дослідників. Але вже і тепер ясно, що ці відкриття представляють дуже цікавий і цінний пізнавальний матеріал.

Міцніше сталі

Рис. 17 Голка на поверхні води

Серед незвичайних властивостей води важко залишити без уваги ще одне - її винятково високий поверхневий натяг 0,073 Н/м (при 20°С). З усіх рідин більш високий поверхневий натяг має тільки ртуть. Він виявляється в тім, що вода постійно прагне стягти, скоротити свою поверхню, хоча вона завжди приймає форму ємності, у якій знаходиться в даний момент. Вода лише здається безформної, розтікаючись по будь-якій поверхні. Сила поверхневого натягу змушує молекули її зовнішнього шару зчіплюватися, створюючи пружну зовнішню плівку. Властивості плівки також визначаються замкнутими і розімкнутими водневими зв'язками, асоціатами різної структури і різного ступеня упорядкованості. Завдяки плівці деякі предмети, будучи важче води, не занурюються у воду (наприклад, обережно покладена сталева голка).
Багато комах (водомірки, ногохвостки та ін.) не тільки пересуваються по поверхні води, але злітають з неї і сідають, як на тверду опору. Більш того, живі істоти пристосувалися використовувати навіть внутрішню сторону водної поверхні. Личинки комарів повисають на ній за допомогою щетинок, що незмочуються, а маленькі равлики - ставковики і котушки - плазують по ній у пошуках їжі.

Високий поверхневий натяг дозволяє воді приймати кулясту форму при вільному падінні або в стані невагомості: така геометрична форма має мінімальну для даного об’єму площу поверхні.

Ми провели дослід із визначення коефіцієнта поверхневого натягу води для талої води та води що залишилася після відбору льоду, використовуючи метод відриву дротяної рамки. Використовуючи залежність ми визначили : =0,07, =0,068. Отримані дані незначно відрізняються від табличного значення для дистильованої води. Спостерігається певна відмінність в величинах, що пояснюється різним хімічним складом зразків.

Струмінь хімічно чистої води площею 1см2 по міцності на розрив не уступає сталі того ж перетину. Водний струмінь як би цементує сила поверхневого натягу. Поводження води в капілярах підкоряється і більш складним фізичним закономірностям. У вузьких капілярах виникають структурно упорядковані шари води поблизу твердої поверхні. Структурування поширюється в глиб рідкої фази на товщину шару порядку десятків і сотень молекул (раніше припускали, що упорядкованість обмежується лише мономолекулярним шаром води, пов'язаним з поверхнею). Особливості структуризації води в капілярних системах дозволяють з визначеною достовірністю говорити про капілярний стан води. У природних умовах цей стан можна спостерігати в так званої капілярної води. У виді найтоншої плівки вона встеляє поверхню порожнин, капілярів, тріщин порід і мінералів земної кори. Розвиті міжмолекулярні контакти з поверхнею твердих тіл, особливості структурної упорядкованості, імовірно, і є причиною того, що капілярна вода замерзає при більш низькій температурі, чим звичайна - вільна - вода. Дослідження показали, що при замерзанні зв'язаної води виявляються не тільки зміни її властивостей, - іншими стають і властивості тих гірських порід, з якими вона безпосередньо стикається.

Детальне вивчення капілярної води допоможе відповісти на багато питань, що мають важливе практичне значення, дозволить уточнити умови і закономірності формування підземних вод у товщі кристалічних масивів, прогнозувати набрякання ґрунтів на дорожніх магістралях, у шахтах, на меліоративних об'єктах і т. д. Отримані в лабораторіях результати дослідження капілярної води можуть бути корисними і при збагненні таємниць атмосфери. Високо над землею дрібні крапельки води здатні, подібно тонким шарам капілярних вод, переохолоджуватися на десятки градусів, залишаючись у рідкому стані.

Фізики з технічного інституту Джорджии (Georgіa Tech) недавно установили, що в нанометровому діапазоні вода поводиться не так, як це описується класичними законами гідродинаміки.

Як установили вчені на чолі з Елізою Ріедо (Elіsa Rіedo), вода в каналах нанометрових розмірів поводиться майже як тверде тіло. Результати їхніх досліджень були опубліковані в Physіcal Revіew B. від 15 березня 2007 року. Ці дослідження, на думку вчених, дуже важливі для молекулярних біологів і фармацевтів, яких цікавить поводження рідини в структурі кліток і медичних препаратів. Д-р Ріедо і її колеги досліджували протікання рідини через канал діаметром два нанометри. Це досить вузький канал - на відрізку в 1 нанометр можна розташувати в довжину 8 атомів кисню. Виявилося, що, протікаючи, а, вірніше, "продавлюючись" через нано-канал, вода поводиться як в’язка субстанція. Крім того, у каналі вода організувалася в ряд шарів, що теж раніше не вдавалося спостерігати. Для проведення експерименту учені використовували атомно-силовий мікроскоп (АСМ) з наконечником у виді каналу, що зміг зробити заміри гідрофізичних параметрів води. Збільшуючи силу тиску зонда АСМ на воду, вченим удалося установити, що при стисканні вода формує багатошарову структуру, близьку до морфології рідких кристалів. Комп'ютерне моделювання підтвердило теоретичні дослідження групи д-ра Ріедо. У планах учених - досліджувати поводження води з домішками в наноканалах, повідомляє PhysOrg.

Рис.19. Види "крижаних" нанотрубок.

Як показують дослідження вже японських учених, усередині одностінних вуглецевих нанотрубок при кімнатній температурі можуть існувати "крижані" нанотрубки.

Вода обов'язково присутня у всіх живих організмах і, часом, вода виявляється "обмежена" у дуже малому обсязі. Наприклад, близько 20 % маси біологічних мембран (товщиною 5-10 нм), що регулюють обмін речовин між клітками і середовищем, а також між відсіками усередині кліток, складає міцно зв’язана вода. Тому дослідження властивостей води в таких умовах привертає увагу вчених. Вчені очікували, що фізичні властивості води в нанооб’ємі можуть виявитися зовсім іншими, але вивчати їх ще недавно було дуже складно.

Рис.20. Крижана нанотрубка усередині вуглецевої нанотрубки.

Зовсім недавно японські вчені показали, що "крижані" нанотрубки всередині одностінних вуглецевих нанотрубок існують навіть при кімнатній температурі і тиску нижче атмосферного. Дані по рентгенівській дифракції отримані з використанням синхротронного випромінювання. Дослідники вивчили шість зразків нанотрубок, середні діаметри яких складали 1.17; 1.30; 1.34; 1.35; 1.38; 1.44 нм. Одностінні вуглецеві нанотрубки були запаяні в кварцові трубки (діаметром 0.7 мм і довжиною 20 мм) з парами води. Тиск води при температурі вище 300 К було прийнято рівним тискові насиченої пари при кімнатній температурі, тому що один кінець трубки завжди знаходився при 300 К. Виміри проводили в температурному діапазоні від 90 до 360 К. Виявилося, що при знижених температурах усередині нанорожок утворюються трубчасті структури льоду, названі авторами "крижаними" нанотрубками. Їхня температура плавлення залежить від діаметра крижаних нанотрубок. Ідентифіковано 4 упорядковані структури, приписані полігональним "крижаним" нанотрубкам. Зокрема, крижана нанотрубка діаметром 1.17нм складається з кільцевих структур по 5 молекул води (див. малюнки 19, 20).

Температура плавлення крижаний нанотрубки - 300 К! При зменшенні діаметра температура плавлення росте від 190 К (восьмикутного нанотрубки) до 300 К (пятикутні нанотрубки) за нормального тиску. При зменшенні діаметра відбувається перехід від об'ємних явищ до явищ на атомному рівні. Ще один цікавий і немаловажний факт - при підвищенні температури до 318 К вода миттєво випаровується з нанотрубки. Цей екзотичний ефект може знайти і практичне застосування.

Аномалія щільності та в’язкості води

Як відомо, вода при атмосферному тиску в діапазоні температур від 0OC до 4OC збільшує свою щільність. Очевидно, при 0OC у рідкій воді є дуже багато острівців зі збереженою структурою льоду. Кожний з цих острівців при подальшому збільшенні температури випробує теплове розширення, але одночасно з цим зменшуються кількість і розміри цих острівців унаслідок триваючого руйнування їхньої структури. При цьому частина обсягу води між острівцями має інший коефіцієнт розширення.

Рис. 21.Залежність відносного об’єму води від температури

Об’єм, см3 1,0904 1,0902 1,0003 1,0001 1,0000 0,9999

Лід

Вода

-4,98 6 8 Т0С

Як видно з мал. 21, зміна об’єму води зі зниженням температури змінюється своєрідно. Спочатку вода поводиться, як і багато інших рідин: потроху ущільнюючись, зменшуючись в об’ємі. Це спостерігається аж до 4°С (точніше - до 3,98°С). При цій температурі начебто б настає криза. Подальше охолодження вже не зменшує, а поступово збільшує об’єм. Плавність різко переривається при 00C, крива переходить у стрімку пряму, об’єм стрибком зростає майже на 10%. Вода перетворюється в лід.

Очевидно, при 3,98°С теплові перешкоди в утворенні асоціатів починають слабшати настільки, що з'являється можливість деякої структурної перебудови води в льодоподібні каркаси. Молекули взаємно упорядковуються, місцями складається характерна для льоду гексагональна структура[4].

Ці процеси в рідкій воді як би підготовлюють повну структурну перебудову, що настає при 00С: струмлива вода стає льодом - кристалічним твердим тілом. Кожна молекула одержує можливість з'єднатися водневими зв'язками з чотирма сусідніми. Тому у фазі льоду вода утворює ажурну конструкцію з "каналами" між фіксованими групами молекул води.

Імовірно, зі структурною перебудовою зв'язана й іще одна своєрідна властивість води - різкий стрибок теплоємності при фазовому переході "вода - лід", про що вже говорилося вище. Вода при 00C має питому теплоємність 1,009. Питома теплоємність води, що перетворилася в лід, при цій же температурі вдвічі нижча.

Завдяки особливості структурного переходу "вода - лід", в інтервалі 3,98...00C природні водойми достатньої глибини звичайно не промерзають до дна. З настанням зимових холодів верхні шари води, остудивши приблизно до +40C і досягши максимальної щільності, опускаються на дно водойми. Ці шари несуть у глибини кисень і допомагають рівномірному розподілові живильних домішок. На їхнє місце до поверхні піднімаються більш теплі маси води, ущільнюються, остигаючи при контакті з приповерхнім повітрям, і, остудивши до +40C, у свою чергу опускаються всередину. Перемішування йде доти, поки циркуляція не вичерпається і водойма не покриється шаром льоду, що плаває. Лід надійно охороняє глибини від суцільного промерзання - адже його теплопровідність набагато менша ніж у води.

В'язкість води

Ще одна фізична величина, зв'язана зі структурою води, має особливу залежність від температури - це в'язкість.

В’язкість води – це внутрішнє тертя, що виникає між шарами води при їх переміщенні в результаті дії механічного напруження. В’язкість можна розглядати як відношення напруження (сили) зсуву, яке зазнає рідка система до градієнта швидкості зсуву.

В'язкість води зменшується при зміні температури від 00C до 1000C у сім разів, тоді як в'язкості більшості рідин з неполярними молекулами, що не мають, відповідно, водневих зв'язків, зменшуються при такій же зміні температур усього в два рази! Спирти, молекули яких є полярними, як і молекула води, теж змінюють в'язкість у 5-10 разів при такій зміні температури.

Виходячи з оцінки кількості розірваних зв'язків при нагріванні води від 0 оC до 1000C (порядку 4%), варто визнати, що рухливість води і її мала в'язкість забезпечуються досить малою кількістю всіх молекул.

Нами був проведений експеримент по з’ясуванню залежності часу падіння пластикової кульки від температури води. Швидкість падіння кульки зростала пропорційно зміні температури води (частину холодної води замінювали гарячою)

Т, 0С	15	30	45	60
t, c	2,5	2,3	2,1	1,9

Визначення показника заломлення води

Проведений також був експеримент з визначення відносного показника заломлення води для червоного світла. Для даного дослідження був виготовлена спеціальна посудина (рис.28), з допомогою якої вдалося більш точніше визначити показник заломлення дейтерієвої та протієвої води (в результаті вони виявилися рівними)
Використовуючи залежність ≈1,333 (див. рис.25)

Рис.26-27 Визначення показника заломлення

Рис.25 Схема визначення показника заломлення

 

Рис.29 Заломлення променя світла у воді(фото)

Рис.28 Посудина для води

 

Пам’ять води

З найдавніших часів людство приписує чудесні властивості воді. Але тільки в останні роки вода стала піддаватися серйозному науковому вивченню.

ін захистив дисертацію, присвячену пам'яті води. Дотепер вважалося, що вода не може утворювати довгоживучі структури. Однак його розрахунки показали, що вода являє собою ієрархію правильних об'ємних структур, в основі яких лежить кристалоподібний "квант води", що складається з 57 її молекул. Ця структура енергетично вигідна і руйнується зі звільненням вільних молекул води лише при високих концентраціях спиртів і подібних їм розчинників. "Кванти води" можуть взаємодіяти один з одним за рахунок вільних водневих зв'язків, що приводить до появи структур другого порядку у вигляді шестигранників. Вони складаються з 912 молекул води, що практично не здатні до взаємодії за рахунок утворення водневих зв'язків.

Ця властивість, на думку вченого, пояснює надзвичайно лабільний характер їхньої взаємодії. Його природа обумовлена далекими кулонівськими силами, що визначають новий вид зарядово-комплементарного зв'язку. Саме за рахунок цього виду взаємодій здійснюється побудова структурних елементів води в осередки (клатрати) розміром до 0,5-1 мікрон. Їх можна безпосередньо спостерігати за допомогою контрастно-фазового мікроскопа.

Структурований стан води виявилося чуттєвим датчиком різних полів, особливо варто виділити її реагування на зміну стану електромагнітного вакууму. Автор вважає, що мозок, що складається на 90% з води, може змінювати структуру вакууму. У лабораторії Зенина спостерігали вплив людей на властивості води. Цей вплив буває настільки могутнім, що тестові мікроорганізми не тільки припиняли рух, але гинули і навіть розчинялися в ній.

Японський дослідник Масару Емото (Masaru Emoto) приводить ще більш дивні докази інформаційних властивостей води. За час роботи він зробив більш 10000 фотографій, деякі з них опубліковані в його книгах "The Messages from Water", і "Water knows the answer."

Доктор Емото використовував Аналізатор Магнітного Резонансу (MRA) для декількох функцій, включаючи якісний аналіз води. Він помітив, що ніякі два зразки води не утворять абсолютно похожих кристалів, і що форма кристалів відбиває властивості води. Відповідно до доктора Емото, сучасна медицина зосереджує свої спостереження на молекулярному (хімічному) рівні. Однак, щоб успішно займатися лікуванням, потрібно звернутися глибше молекулярного рівня - на рівень атомів, і навіть мікрочастинок.

Відповідно до доктора Емото, в основі будь-якої створеної речі лежить джерело енергії ХАДО (HADO) - вібраційна частота, хвиля резонансу. (ХАДО - визначена хвиля коливань електронів атомного ядра). Поле магнітного резонансу завжди скрізь присутнє, де існує ХАДО. Таким чином, ХАДО може інтерпретуватися безпосередньо як область магнітного резонансу, що є одним типом електромагнітної хвилі. MRA вимірює магнітний резонанс ХАДО. Після своєї роботи з MRA доктор Емото зробив висновок, що " всі речі лежать у межах вашої власної свідомості. " Таким чином, він вірить, що ми повинні намагатися піднімати наш рівень ХАДО, наприклад, посилаючи благословення нашій їжі, пити воду, не накопичуючи негативних емоцій.

Для одержання фотографій мікрокристалів крапельки води помістили у 100 чашок Петрі і різко охолодили у морозильнику. Потім їх помістили в спеціальний прилад, що складається з холодильної камери і мікроскопа з підключеним до нього фотоапаратом. При температурі -5 градусів С в темному полі мікроскопа під збільшенням 200-500 разів розглядали зразки і робили знімки найбільш характерних кристалів.

У лабораторії були досліджені зразки води з різних водних джерел усього світу. Вода піддавалася різним видам впливу, зокрема таким як музика, зображення, електромагнітне випромінювання від телевізора, думки однієї людини і груп людей, молитви, надрукованим і вимовленим словам. Ось кілька фотографій із книг

"Послания воды. Тайные коды кристаллов льда"- ,

"Тайная жизнь воды"-

"Энергия воды для самопознания и исцеления"-

1. Кристал дистильованої води, не підданий ніякому впливові.

2. Ключова вода.

3. Антарктичний лід.

4. Так виглядає кристал води, що прослухала "Пастораль" Бетховена.

5. Кристал, що утворився після прослуховування важкого металевого року.

6. Кристал після впливу слів "Ти - дурень"

7. Слово "Ангел".

8. Слово "Диявол".

9. Вода одержала прохання "Зробити це".

10. Вода одержала наказ "Зроби це".

11. Слова "Ти набрид мені. Я уб'ю тебе".

12. Вода одержувала електромагнітні випромінювання любові і подяки.

Звичайно ми не могли провести подібні дослідження внаслідок браку відповідного обладнання, і сприймати все це як науково доведений факт ми не можемо, але на мою думку дана проблема заслуговує на увагу, і можливо, в майбутньому я приділю цій темі більше уваги.

Вивчаючи дану тему, я почав задумуватись над словами моєї бабусі: «любу справу розпочинай з доброї думки». І особливо часто вона це говорить навесні висіваючи насіння овочів на розсаду, або вже висаджуючи її в грунт. І здається мені в неї є причини для того щоб так говорити.

Висновок

Підсумовуючи написане вище слід зауважити, вода досить складна структура, яка ще і на сьогоднішній день вивчена недостатньо.

Історія Землі — це перш за все історія води. У воді виникло життя. Різноманітна і щедра, беззахисна і сильна, вода безперервно змінювала і змінює обличчя нашої планети. То тече в річках і океанах, то парою піднімається в хмари, то покриває водойми льодом.

Для якісного життя людині необхідна ( в першу чергу на харчові потреби) чиста структурована вода, збалансована за хімічним складом(мається на увазі іонний склад, так як саме від нього залежать смакові якості). Крім механічної та біохімічної очистки немаловажну увагу слід приділяти фізичному складу самої води (протієва вода) та її структуризації.

Дані дослідження можна використати в системах водопідготовки для доповнення існуючих методик очищення, що використовуються в локальних системах. До речі під час проведення дослідів використовувалася вода очищена за допомогою фільтрувальної триступінчастої системи FP3-HJ(з використанням картриджів: FCP5‑механічний (5 мікрон), що усуває такі механічні забруднення як пісок, іржа і домішки., FCCST - картридж пом’якшуючий воду воду. Містять спеціальний гранулят, що обмінює іони кальцію і магнію на іони натрію, FCCBL ‑ вугільний картридж зі спеціально спеченого вугілля високої щільності). Забір води проводився з системи централізованого водопостачання с Короваї Гребінківського р-ну Полтавської обл.. Глибина артезіанської свердловини 120м.

Використана література та ресурси Internet

1.  Фізика:підручник для 10 кл. серед. загальноосв. шк. – К.:Освіта, 2002.319с.

2.  Элементарный ученик физики: Учебное пособие. В 3-х т. – М.: Наука.1986г.

3.  Зацепина свойства и структура воды. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 19с.

4.  , . Вопросы и задачи по физике: Учеб. Пособие, - М.: Высш. шк., 1990. – 256с

5.  Вода. :К. Державне видавництво технічної літератури УРСР, 1952, 79с.

6.  Лазарев метода внутрирезонаторной отражательной лазерной рефрактометрии для медико-биологической диагностики. – Дисс. на соиск. учен. степ. канд. физ.-мат. наук. М.:МИФИ,2002, 209с.

7.  , , . Флуктуации диэлектрической проницаемости воды при тепловом и механическом воздействиях на воду. Краткие сообщения по физике ФИАН, (7-8):74-80, 1997.

8.  , Даль чистой волы. K., Наукова думка, 1974,230 с.

9.  , BA Коротенко, , E. А. Постнова, Под общ. ред. B. A Коротенко. Бытовая Экология - Б.:20с.

10.  http://www. un. org/russian/waterforlifedecade/

11.  http//www.

12.  http//www. *****

13.  http//www. *****

14.  http//*****

15.  http//www. *****

16.  http://www. *****

17.  http://www. *****

18.  http://provodu.

19.  http://www. *****

20.  http://

21.  http://www. school. *****

22.  http://book. *****/ (Фирейдон Батмангхелидж «Ваше тело просит воды»)

[1] Дисоціація [лат. dіssocіatіo роз'єднання, поділ] - хім. розпад молекул на складові частини.

[2] Молекулярна маса - значення маси молекули, виражене в атомних одиницях маси. Одна атомна одиниця маси дорівнює 1/12 маси нукліда вуглецю 12С, що складає 1,66·10-27 кг.

[3] Дебай - позасистемна одиниця електричного дипольного моменту молекул, позначається Д. 1Д=3,33564·1030Кл·м.

[4] Гексагональна структура кристала - строга періодичність просторового повторення структури шестигранника, у вузлових точках якого розташовуються атоми, іони або молекули.