Ūdens ir neparasta viela, kas ir pelnījusi detalizētu izpēti. Padomju akadēmiķis I. V. Petrjanovs uzrakstīja grāmatu par šo apbrīnojamo vielu "Visneparastākā viela pasaulē". Kādas ūdens fizikālo īpašību anomālijas ir īpaši interesantas? Kopā mēs meklēsim atbildi uz šo jautājumu.
Interesanti fakti
Mēs reti domājam par vārda "ūdens" nozīmi. Uz mūsu planētas vairāk nekā 70% no kopējās platības aizņem upes un ezeri, jūras un okeāni, aisbergi, ledāji, purvi, sniegs kalnu virsotnēs, kā arī mūžīgais sasalums. Neskatoties uz tik milzīgu ūdens daudzumu, tikai 1% ir dzerams.
Bioloģiskā nozīme
Cilvēka ķermenis 70-80% sastāv no ūdens. Šī viela nodrošina visu dzīvībai svarīgo procesu plūsmu, jo īpaši, pateicoties tai, no tās tiek izvadīti toksīni, atjaunotas šūnas. Ūdens galvenā funkcija dzīvā šūnāir strukturāls un enerģētisks, samazinoties tā kvantitatīvajam saturam cilvēka organismā, tas “saraujas”.
Dzīvā organismā nav tādas sistēmas, kas varētu darboties bez H2O. Neskatoties uz ūdens anomālijām, tas ir standarts siltuma daudzuma, masas, temperatūras un augstuma noteikšanai.
Pamatjēdzieni
H2O - ūdeņraža oksīds, kas satur 11,19% ūdeņraža, 88,81% skābekļa pēc masas. Tas ir bezkrāsains šķidrums, kam nav ne smaržas, ne garšas. Ūdens ir būtiska rūpniecisko procesu sastāvdaļa.
Pirmo reizi šo vielu 18. gadsimta beigās sintezēja G. Kavendišs. Zinātnieks ar elektrisko loku uzspridzināja skābekļa un ūdeņraža maisījumu. G. Galileo pirmo reizi analizēja ledus un ūdens blīvuma atšķirību 1612. gadā.
1830. gadā franču zinātnieki P. Dulongs un D. Arago izveidoja tvaika mašīnu. Šis atklājums ļāva izpētīt saistību starp piesātinājuma tvaika spiedienu un temperatūru. 1910. gadā amerikāņu zinātnieks P. Bridžmens un vācietis G. Tammans atklāja vairākas ledus polimorfās modifikācijas augstā spiedienā.
1932. gadā amerikāņu zinātnieki G. Urey un E. Washburn atklāja smago ūdeni. Šīs vielas fizikālo īpašību anomālijas tika atklātas, pilnveidojot aprīkojumu un pētniecības metodes.
Dažas pretrunas fizikālajās īpašībās
Tīrs ūdens ir dzidrs, bezkrāsains šķidrums. Tā blīvums, pārvēršoties šķidrumā nopalielinās cietā viela, tas liecina par ūdens īpašību anomāliju. Sildot to no 0 līdz 40 grādiem, palielinās blīvums. Augsta siltuma jauda jāatzīmē kā ūdens anomālija. Kristalizācijas temperatūra ir 0 grādi pēc Celsija un viršanas temperatūra ir 100 grādi.
Šī neorganiskā savienojuma molekulai ir leņķiska struktūra. Tā kodoli veido vienādsānu trīsstūri ar diviem protoniem tā pamatnē un skābekļa atomu tā virsotnē.
Blīvuma anomālijas
Zinātniekiem ir izdevies identificēt apmēram četrdesmit H2O raksturīgās pazīmes. Ūdens anomālijas ir pelnījušas rūpīgu apsvēršanu un izpēti. Zinātnieki cenšas izskaidrot katra faktora cēloņus, sniegt tam zinātnisku skaidrojumu.
Ūdens blīvuma anomālija slēpjas faktā, ka šīs vielas maksimālā blīvuma vērtība sākas no +3, 98°C. Pēc tam atdzesējot, pārejot no šķidruma uz cietu stāvokli, tiek novērots blīvuma samazinājums.
Citiem savienojumiem, pazeminoties temperatūrai, šķidrumu blīvums samazinās, jo temperatūras paaugstināšanās veicina molekulu kinētiskās enerģijas palielināšanos (palielinās to kustības ātrums), kā rezultātā palielinās vielas irdenums.
Ņemot vērā šādas ūdens anomālijas, jāatzīmē, ka arī tam ir tendence palielināties ātrumam, palielinoties temperatūrai, bet blīvums samazinās tikai paaugstinātā temperatūrā.
Pēc ledus blīvuma samazināšanas tas atradīsies uz ūdens virsmas. Šī parādība izskaidrojama ar to, ka kristālā esošajām molekulām ir regulāra struktūra, kurai ir telpiskā periodiskums.
Ja parastajiem savienojumiem molekulas ir cieši iepakotas kristālos, tad pēc vielas kušanas likumsakarība pazūd. Līdzīga parādība tiek novērota tikai tad, ja molekulas atrodas ievērojamā attālumā. Blīvuma samazināšanās metālu kausēšanas laikā ir niecīga vērtība, kas tiek lēsta 2-4%. Ūdens blīvums pārsniedz ledus blīvumu par 10 procentiem. Tādējādi šī ir ūdens anomālijas izpausme. Ķīmija šo parādību izskaidro ar dipola struktūru, kā arī ar kovalento polāro saiti.
Saspiežamības anomālijas
Turpināsim runāt par ūdens īpašībām. To raksturo neparasta temperatūras uzvedība. Tā saspiežamību, tas ir, tilpuma samazināšanos, palielinoties spiedienam, var uzskatīt par piemēru ūdens fizikālo īpašību anomālijai. Kādas īpašas iezīmes šeit būtu jāņem vērā? Citus šķidrumus ir daudz vieglāk saspiest zem spiediena, un ūdens iegūst šādas īpašības tikai augstā temperatūrā.
Siltuma kapacitātes temperatūras izturēšanās
Šī anomālija ir viena no spēcīgākajām ūdenim. Siltuma jauda norāda, cik daudz siltuma nepieciešams, lai paaugstinātu temperatūru par 1 grādu. Daudzām vielām pēc kausēšanas šķidruma siltumietilpība palielinās ne vairāk kā par 10 procentiem. Un ūdenim pēc ledus kušanas šis fiziskais daudzums dubultojas. Neviena no vielāmšāds siltuma jaudas pieaugums netika reģistrēts.
Ledus enerģija, kas tam tiek piegādāta apkurei, pārsvarā tiek tērēta molekulu kustības ātruma palielināšanai (kinētiskā enerģija). Ievērojams siltumietilpības pieaugums pēc kausēšanas liecina, ka ūdenī notiek citi energoietilpīgi procesi, kuriem nepieciešama siltuma ievade. Tie ir iemesls paaugstinātai siltuma jaudai. Šī parādība ir raksturīga visam temperatūras diapazonam, kurā ūdenim ir šķidrs agregācijas stāvoklis.
Tiklīdz tas pārvēršas tvaikā, anomālija pazūd. Pašlaik daudzi zinātnieki nodarbojas ar pārdzesēta ūdens īpašību analīzi. Tas ir saistīts ar spēju palikt šķidram zem kristalizācijas punkta 0°C.
Ir pilnīgi iespējams pārdzesēt ūdeni plānos kapilāros, kā arī nepolārā vidē sīku pilienu veidā. Rodas dabisks jautājums, kas tiek novērots ar blīvuma anomāliju šādā situācijā. Ūdenim pārdzesējot, ūdens blīvums ievērojami samazinās, bet temperatūrai pazeminoties, tam ir tendence uz ledus blīvumu.
Izskata iemesli
Ja jautā: "Nosauciet ūdens anomālijas un aprakstiet to cēloņus", tās ir jāsaista ar būves pārstrukturēšanu. Daļiņu izvietojumu jebkuras vielas struktūrā nosaka tajā esošo daļiņu (atomu, jonu, molekulu) savstarpējās izkārtošanās pazīmes. Ūdeņraža spēki darbojas starp ūdens molekulām, kas atdala šo šķidrumu no atkarības starp viršanas un kušanas temperatūru,raksturīgs citām vielām, kas ir šķidrā agregācijas stāvoklī.
Tie parādās starp noteiktā neorganiskā savienojuma molekulām elektronu blīvuma sadalījuma īpatnību dēļ. Ūdeņraža atomiem ir noteikts pozitīvs lādiņš, savukārt skābekļa atomiem ir negatīvs. Rezultātā ūdens molekulai ir regulāra tetraedra forma. Līdzīgu struktūru raksturo savienojuma leņķis 109,5 °. Vislabvēlīgākais risinājums ir skābekļa un ūdeņraža novietošana vienā līnijā ar dažādiem lādiņiem, tāpēc ūdeņraža saitei ir raksturīgs elektrostatiskais raksturs.
Tātad, ūdens neparastās (anomalās) īpašības ir tās molekulas īpašās elektroniskās struktūras sekas.
Ūdens atmiņa
Pastāv viedoklis, ka ūdenim ir atmiņa, tas spēj uzkrāt un nodot enerģiju, barojot organismu ar virtuālo informāciju. Ilgu laiku ar šo problēmu nodarbojās japāņu zinātnieks Masaru Emoto. Dr. Emoto sava pētījuma rezultātus publicēja grāmatā Vēstījumi no ūdens. Zinātnieki veica eksperimentus, kuros viņš vispirms sasaldēja ūdens pilienu 5 grādu temperatūrā un pēc tam analizēja kristālu struktūru mikroskopā. Lai reģistrētu rezultātus, viņš izmantoja mikroskopu, kurā tika iebūvēta kamera.
Eksperimenta ietvaros Masau Emoto dažādos veidos ietekmēja ūdeni, pēc tam to atkārtoti sasaldēja un uzņēma fotogrāfijas. Viņam izdevās iegūt attiecības starp ledus kristālu formu un mūziku,ko ūdens klausījās. Pārsteidzošā kārtā zinātnieks ierakstīja harmoniskākās sniegpārslas, izmantojot klasisko un tautas mūziku.
Mūsdienu mūzikas izmantošana, pēc Masau domām, "piesārņo" ūdeni, tāpēc tie tika fiksēti neregulāras formas kristāli. Interesants fakts ir japāņu zinātnieka konstatētais attiecības starp kristālu formu un cilvēka enerģiju.
Ūdens ir visbrīnišķīgākā viela, kas lielos daudzumos atrodama uz mūsu planētas. Grūti iedomāties kādu mūsdienu cilvēka darbības sfēru, kurā viņa aktīvi nepiedalītos. Šīs vielas daudzpusību nosaka anomālijas, ko izraisa ūdens tetraedriskā struktūra.
