Takat beku air menjadi ais. Sifat anomali air

Yang paling mudah, paling meluas dan pada masa yang sama bahan yang paling misteri dan menakjubkan di dunia ialah air. Ketumpatan boleh ubah, kapasiti haba yang tinggi dan tegangan permukaan air yang besar, keupayaannya untuk "memori" dan struktur adalah semua sifat anomali bagi bahan yang kelihatan mudah seperti H20.

Perkara yang paling menarik ialah kehidupan wujud terima kasih kepada sifat anomali air, yang masa yang lama tidak dapat dijelaskan dari segi hukum fizik dan kimia. Ini disebabkan oleh fakta bahawa ikatan hidrogen wujud antara molekul air. Oleh itu, dalam keadaan cecair, air bukan sekadar campuran molekul, tetapi rangkaian gugusan air yang kompleks dan berubah-ubah secara dinamik. Setiap kelompok individu hidup untuk masa yang singkat, tetapi tingkah laku kelompok yang mempengaruhi struktur dan sifat air.

Air mempunyai suhu beku dan mendidih yang tidak normal berbanding dengan sebatian hidrogen binari lain. Jika kita membandingkan takat lebur sebatian yang hampir dengan air: H2S, H2Te, H2Se, maka kita boleh mengandaikan bahawa takat lebur H20 hendaklah antara 90 dan -120 ° C. Walau bagaimanapun, pada hakikatnya ia adalah 0 ° C. titik adalah serupa: untuk H2S ia adalah -60.8 ° C, untuk H2Se -41.5 ° C, H2Te -18 ° C. Walaupun begitu, air harus mendidih sekurang-kurangnya pada +70 ° C, dan ia mendidih pada +100 ° C. Berdasarkan mengenai ini, bahawa takat lebur dan takat didih air adalah sifat anomali, kita boleh membuat kesimpulan bahawa di bawah keadaan planet kita, keadaan cecair dan pepejal air juga adalah anomali. Ia sepatutnya normal kepada gas dan keadaan.

Anda sudah tahu bahawa badan mengembang apabila dipanaskan dan mengecut apabila disejukkan. Walaupun kelihatan paradoks, air bertindak secara berbeza. Apabila disejukkan dari 100°C hingga -4°C, air mengecut, meningkatkan ketumpatannya. Pada suhu +4 ° C ia mempunyai ketumpatan tertinggi. Tetapi dengan penyejukan selanjutnya hingga 0 ° C, ia mula mengembang, dan ketumpatannya berkurangan! Pada 0 ° C (suhu beku air), air bertukar menjadi keadaan terkumpul pepejal. Momen peralihan disertai dengan peningkatan mendadak dalam jumlah (kira-kira 10%) dan penurunan ketumpatan yang sepadan. Bukti fenomena ini ialah ais terapung di permukaan air. Semua bahan lain (kecuali Bismut dan Gallium) tenggelam dalam cecair yang terbentuk semasa pencairannya. Ketumpatan pembolehubah fenomenal air membolehkan ikan hidup dalam badan air yang membeku: apabila suhu turun di bawah -4 ° C, air yang lebih sejuk, yang kurang tumpat, kekal di permukaan dan membeku, manakala suhu kekal di atas sifar di bawah ais.

Air mempunyai kapasiti haba yang luar biasa tinggi dalam keadaan cecairnya. Muatan haba air adalah dua kali ganda kapasiti haba stim, dan kapasiti haba stim adalah sama dengan kapasiti haba... ais. Kapasiti haba ialah jumlah haba yang diperlukan untuk meningkatkan suhu sebanyak 1 ° C. Apabila dipanaskan dari 0 ° C hingga +35 ° C, kapasiti habanya tidak meningkat, tetapi berkurangan. Dengan pemanasan lanjut dari +35 ° C hingga +100 ° C ia mula berkembang semula. Suhu badan organisma hidup bertepatan dengan nilai terendah kapasiti haba air.

Hipotermia ialah keupayaan air untuk menyejukkan ke suhu di bawah takat bekunya sambil kekal sebagai cecair. Harta ini sangat air bersih, bebas daripada pelbagai kekotoran yang boleh berfungsi sebagai pusat penghabluran apabila ia membeku.

Kebergantungan suhu beku air pada tekanan juga adalah anomali sepenuhnya.

Apabila tekanan meningkat, takat beku berkurangan adalah kira-kira 1 ° C untuk setiap 130 atmosfera. Dalam bahan lain, sebaliknya, dengan peningkatan tekanan, takat beku meningkat.

Air mempunyai tegangan permukaan yang tinggi (hanya merkuri mempunyai nilai yang lebih tinggi), Air mempunyai keupayaan pembasahan yang tinggi - disebabkan ini, fenomena kapilari adalah mungkin, iaitu keupayaan cecair untuk menukar tahap dalam tiub, saluran sempit bentuk bebas, badan berliang.

Air memperoleh sifat yang menakjubkan dalam tiub nano, diameternya hampir 1 10'9 m: kelikatannya meningkat dengan mendadak dan air memperoleh keupayaan untuk tidak membeku pada suhu yang hampir kepada sifar mutlak. Molekul air dalam tiub nano pada suhu -23 ° C dan tekanan 40 ribu atmosfera secara bebas menyusun diri mereka menjadi "tangga" lingkaran, termasuk heliks berganda, yang sangat mengingatkan struktur heliks DNA,

Permukaan air mempunyai potensi elektrik negatif kerana pengumpulan ion hidroksil OH - Ion hidronium H30 + yang bercas positif tertarik ke permukaan air yang bercas negatif, membentuk lapisan berganda elektrik.

Air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk - fenomena paradoks ini dipanggil kesan membran. Hari ini sains masih belum memberikan penjelasan mengenainya,

Pada -120 ° C, perkara aneh mula berlaku kepada air: ia menjadi likat, seperti molase, dan pada suhu di bawah -135 ° C ia bertukar menjadi air "kaca" - bahan pepejal yang tidak mempunyai struktur kristal.

Bagi takat didih, ia adalah secara langsung bergantung kepada tekanan: dengan peningkatan tekanan ia meningkat (Rajah 6). Sifat air ini sebelum ini digunakan untuk menentukan ketinggian rupa bumi di pergunungan. Takat didih juga meningkat dengan peningkatan kandungan bahan terlarut dalam air.
Satu lagi pergantungan diperhatikan antara tekanan dan takat beku (lebur) air, dengan peningkatan tekanan ia jatuh (tetapi hanya pada tekanan 2200 atm). Dengan peningkatan tekanan selanjutnya, titik beku air mula meningkat: pada tekanan 3530 atm, air membeku pada tolak 17; pada 6380 atm - pada 0 °C, pada 16,500 atm - pada 60, dan pada 20,670 atm - pada 76 °C. Dalam dua kes terakhir kita sudah ada ais panas.

Adakah mungkin gabungan suhu dan tekanan sedemikian wujud di bahagian dalam bumi? Sudah tentu tidak ada air yang beredar bebas di dalam batuan Bumi, kerana walaupun di sempadan litosfera bawah dan mantel atas, dipanggil sempadan Mohorovicic (seperti yang akan kita lihat dari bab selanjutnya), di mana tekanan adalah kira-kira 10,000 atm, suhu tidak boleh bersamaan dengan 30 ° C, dan akan sentiasa dan di mana-mana menjadi lebih tinggi dengan ketara. Oleh itu, pertemuan ais panas dikecualikan di sini.
Di atas had Mohorovicic, tekanan melebihi 6000 atm, yang diperlukan untuk pembentukan ais panas, dikecualikan sepenuhnya.

Pada tekanan 1 atm, takat beku (lebur) dan takat didih air adalah anomali (masing-masing 0 dan 100 °C). Jika kita mengambil beberapa sebatian hidrogen dengan unsur kumpulan VIa sistem berkala Mendeleev - H2Te, H2Se H2S dan H2O - dengan mengambil kira berat molekul relatifnya, ternyata titik beku dan didih air tidak sesuai dengan corak biasa kepada tiga sebatian lain, yang mempunyai kurang daripada lebih relatif berat molekul, semakin tinggi takat didih dan beku. Takat beku air hendaklah antara tolak 90 dan tolak 120 ° C, tetapi sebenarnya ia adalah ±0 ° C. Perkara yang sama boleh dikatakan tentang takat didih air, yang sepatutnya antara 75 dan 100 °C (Rajah 7).

Pada tekanan biasa air boleh "membeku" walaupun pada suhu positif. Ini diperhatikan, sebagai contoh, dalam saluran paip gas, apabila gas yang melaluinya (terutamanya metana) kurang kering, iaitu ia mengandungi air. Isipadu molekul gas berbanding dengan isipadu molekul air adalah lebih besar, yang membawa kepada penurunan tekanan dalaman dan peningkatan takat beku dari beberapa darjah kepada 20 ° C. "Ais" yang jatuh mengandungi banyak gas (gas hidrat).
Hakikat kewujudan air biasa permukaan bumi keadaan termodinamik dalam ketiga-tiga fasa (pepejal, cecair dan gas) menjadikan bahan ini amat mengejutkan dan luar biasa.

Air adalah bahan yang paling meluas dan paling misteri di planet kita. Ia mempunyai ciri-ciri mudah yang diketahui sejak zaman purba. Ia adalah terima kasih kepada ciri-ciri ini bahawa ia dipanggil "asas kehidupan." Jadi apakah "keajaiban" sifat-sifat ini? Mari kita fikirkan.

Kecairan. Harta utama semua cecair, termasuk air. Di bawah pengaruh kuasa luar, ia dapat mengambil bentuk mana-mana kapal. Dan ini memastikan ketersediaan universalnya. Air mengalir dalam paip air dan membentuk tasik, sungai dan laut. Dan, yang paling penting, anda sentiasa boleh membawanya dalam mana-mana pembungkusan yang mudah - daripada botol kecil hingga tangki besar.

Sifat suhu. Air suam lebih ringan daripada air sejuk dan sentiasa naik. Oleh itu, kita boleh memasak sup dengan memanaskan kuali hanya dari bawah, dan bukan dari semua pihak sekaligus. Terima kasih kepada fenomena ini, yang dipanggil "konveksi", kebanyakan penduduk badan air bumi tinggal lebih dekat ke permukaan.

Tetapi sifat suhu air yang paling penting ialah kapasiti haba yang tinggi - 10 kali lebih banyak daripada besi. Ini bermakna untuk memanaskannya adalah perlu bilangan yang besar tenaga, bagaimanapun, apabila menyejukkan, jumlah tenaga yang sama dibebaskan. Sistem pemanasan di rumah kami - dan sistem penyejukan yang digunakan dalam industri - adalah berdasarkan prinsip ini.

Selain itu, laut dan lautan memainkan peranan sebagai termoregulator Bumi, melembutkan perubahan suhu bermusim, menyerap haba pada musim panas dan melepaskannya pada musim sejuk. Dan dengan gabungan kapasiti haba dan perolakan, anda juga boleh memanaskan seluruh benua! Kita bercakap tentang "bateri utama Eropah," Gulf Stream yang hangat. Aliran air suam gergasi, bergerak di sepanjang permukaan Atlantik, memberikan suhu yang selesa di pantainya, yang tidak tipikal untuk latitud ini.

membeku. Titik beku air secara konvensional sama dengan 0 darjah, tetapi sebenarnya parameter ini bergantung kepada beberapa faktor: tekanan atmosfera, bekas di mana air diletakkan, daripada kehadiran kekotoran di dalamnya.

Air adalah unik kerana, tidak seperti bahan lain, ia mengembang apabila ia membeku. Memandangkan musim sejuk kita yang teruk, ini mungkin boleh dipanggil harta negatif. Membeku dan meningkatkan isipadu, air (atau lebih tepatnya, ais) hanya mengoyakkan paip logam.

Jadi, apabila ia bertukar menjadi keadaan pepejal, air bertambah dalam isipadu, tetapi menjadi kurang tumpat. Oleh itu, ais sentiasa lebih ringan daripada air dan terletak di permukaannya. Di samping itu, ia mengalirkan haba dengan teruk: walaupun paling banyak musim sejuk yang sejuk Kehidupan terpelihara di badan air planet ini. Lagipun, semakin tebal "kusyen" ais, semakin hangat air di bawahnya. Juga, terima kasih kepada harta ini, sesetengah orang masih membina apa yang dipanggil "glasier" - bilik bawah tanah atau gua yang dipenuhi dengan ais, yang tidak cair walaupun pada musim panas, dan membolehkan makanan disimpan untuk masa yang lama.

Sesetengah saintis juga telah mencadangkan menggunakan ais untuk memerangi pemanasan global. Intipati idea ini ialah: sebuah kapal khas membawa ke belakang gunung ais yang hanyut di suatu tempat berhampiran Antartika. Dan kemudian dia mengheretnya ke kawasan panas di mana orang ramai menderita panas. Gunung ais mencair, memberikan kesejukan kepada seluruh kawasan pantai. Ini adalah Arus Teluk terbalik, hanya dicipta oleh manusia.

Mendidih. Dari kesejukan mari menyeberangi ais kepada wap panas. Semua orang tahu bahawa air mendidih pada suhu 100 darjah Celsius. Tetapi ini hanya dalam keadaan komposisi udara biasa dan tekanan atmosfera. Tetapi di puncak Everest, di mana tekanan lebih rendah dan udara lebih nipis, cerek anda akan mendidih pada 68 darjah! Air mendidih membantu membunuh mikroorganisma berbahaya. Makanan kukus juga jauh lebih sihat daripada makanan bergoreng.

Di samping itu, wap air boleh dipanggil enjin sebenar tamadun. Belum pun seratus tahun berlalu sejak era enjin wap, dan ramai yang masih tersilap merujuk kepada lokomotif kereta api (yang kini beroperasi terutamanya pada elektrik) sebagai "lokomotif wap."

By the way, mengenai elektrik. Tanpa wap, ia masih akan kekal sebagai rasa ingin tahu yang jarang berlaku dan mahal. Lagipun, prinsip operasi kebanyakan loji kuasa adalah berdasarkan putaran rotor di bawah tekanan wap panas. moden loji tenaga nuklear Mereka berbeza daripada arang batu lama atau minyak hanya dalam prinsip pemanasan air. Malah tenaga suria yang inovatif dan selamat menggunakan wap: cermin besar, seperti kaca pembesar, memfokuskan sinaran matahari pada tangki air, mengubahnya menjadi wap untuk turbin elektrik.

Pembubaran. Lagi satu harta yang paling penting air, tanpanya bukan sahaja sains dan industri, tetapi juga kehidupan itu sendiri adalah mustahil! Pada pendapat anda, apakah persamaan plasma darah dengan soda kegemaran anda? Jawapannya mudah: soda adalah larutan akueus pelbagai garam, mineral dan gas. Plasma terdiri daripada 90% air, serta protein dan bahan lain. Dan setiap sel organisma hidup menerima bahan yang diperlukan, juga dalam bentuk larutan akueus.

Air adalah yang paling mudah, paling selamat, tetapi bagaimanapun, pelarut semulajadi yang paling boleh dipercayai. Hampir mana-mana bahan boleh "disediakan" di antara molekul mudah alihnya - daripada cecair kepada logam. ini harta yang indah telah diperhatikan sejak awal manusia. Seniman purba melarutkan pewarna semula jadi dalam air untuk melukis di dinding gua. Kemudian ahli alkimia zaman pertengahan mengambil baton, melarutkan pelbagai bahan di dalam air dengan harapan mendapatkan "batu ahli falsafah" yang akan mengubah apa-apa bahan menjadi emas. Dan kini harta ini berjaya digunakan oleh ahli kimia moden.

Ketegangan permukaan. Kebanyakan orang, apabila mereka mendengar tentang ketegangan permukaan air, hanya ingat serangga penyeret air yang meluncur melintasi permukaan kolam atau lopak. Sementara itu, tanpa harta air ini adalah mustahil untuk mencuci tangan anda! Ia adalah terima kasih kepada ini bahawa buih sabun terbentuk. Dan juga sukar untuk mengeringkan tangan anda dengan tuala tanpa tuala. Lagipun, semua bahan penyerap (tidak kira serbet kertas atau kain microfiber) mempunyai liang mikroskopik di mana kelembapan diserap kerana ketegangan permukaan. Atas sebab yang sama, air mengalir melalui kapilari paling nipis yang menembusi akar tumbuhan. Dan penyediaan campuran pembinaan kering juga mungkin disebabkan oleh ketegangan permukaan air yang ditambah.

Molekul air secara aktif tertarik antara satu sama lain, akibatnya, permukaannya untuk jumlah tertentu cenderung kepada minimum. sebab tu bentuk semula jadi sebarang cecair adalah bola. Ini boleh disahkan dengan mudah jika anda mendapati diri anda berada dalam graviti sifar. Walaupun, untuk eksperimen seperti itu tidak perlu terbang ke angkasa, hanya gunakan picagari untuk menyuntik sedikit air ke dalam gelas dengan minyak sayuran dan lihat bagaimana ia bersatu menjadi bola.

Air paling bersih adalah di Finland, air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk, air boleh membeku pada suhu +20 °C. Baca semua ini dan fakta menarik lain tentang air dalam penerbitan ini.

Terdapat banyak air, tetapi air minuman tidak mencukupi

Air meliputi lebih daripada 70% daripada planet kita, dan sebahagian besar air adalah masin. Dengan semua jumlah air yang sangat besar di planet ini, hanya 3% daripada jumlah keseluruhan boleh diminum. Kebanyakannya terdapat dalam air bawah tanah.

daripada jumlah bilangan air di planet ini, 96% adalah lautan, 1.5% adalah air bawah tanah dan 1.5% adalah glasier.

air Finland

Para saintis menjalankan ujian air minuman di 122 negeri, dan keputusan menunjukkan bahawa air paling bersih ditemui di Finland, di mana 80% daripada rizab air dianggap mengandungi air yang sangat bersih. Selepas Finland, menurut keputusan ujian, air paling bersih ditemui di Switzerland, Sweden dan Norway. Negara kita tidak termasuk dalam 10 negara teratas dengan air paling bersih.

Orang Amerika adalah pembazir air

Menurut statistik purata, purata rakyat Amerika menggunakan purata 90 liter air setiap hari. Daripada jumlah air ini, kebanyakannya, 40%, dibelanjakan untuk menyiram tandas. Orang Amerika menggunakan 34% air mereka untuk keperluan bilik mandi: mencuci dan mandi. Penduduk negeri membelanjakan 21% daripada air mereka untuk dobi. Dan hanya 5% daripada 90 liter dibelanjakan oleh orang Amerika untuk memasak.

Makanan panas lebih cepat membeku

Telah disahkan bahawa air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk. Cuba letak air panas dan sejuk dalam bekas yang berbeza. air sejuk dengan menghantar mereka ke peti sejuk beku, dan perhatikan: bekas dengan air akan membeku lebih cepat. Anda akan terkejut, tetapi tidak kira betapa peliknya, air panas akan membeku lebih cepat.

Tetapi perkara yang paling menarik tentang ini ialah saintis masih tidak memahami mengapa ini berlaku. Salah satu versi yang paling mungkin ialah air panas, akibat mendidih, mengandungi kurang garam akibat pemendapan, jadi air tersebut membeku lebih cepat.

air beku

Sangat menarik untuk bereksperimen dengan air. Contohnya, pada suhu -120 °C, air menjadi sangat likat dan melekit. Jika air dibekukan hingga -135 °C, ia akan memperoleh sifat yang dipanggil "air kaca", apabila strukturnya menyerupai kaca.

Takat beku

Kita semua tahu bahawa air dalam paip air hanya boleh membeku pada suhu di bawah sifar. Tetapi jika air mengandungi kandungan metana yang tinggi, molekul yang mempengaruhi air, maka air dalam paip boleh membeku walaupun pada suhu +20 °C, disebabkan oleh tekanan rendah cecair dan takat bekunya yang tinggi.

Air terbakar

Bolehkah anda bayangkan bahawa air boleh terbakar? Sudah tentu anda akan mengatakan bahawa ini adalah mustahil. Walau bagaimanapun, terdapat sanggahan terhadap pendapat ini. Di Azerbaijan terdapat satu yang istimewa dan tempat yang menakjubkan, di mana pada kawasan lapang air sedang terbakar, ia cukup untuk membentangkan mancis kepada "air api" sedemikian dan ia akan serta-merta terbakar.

Ciri-ciri air masin

Air garam mempunyai tahap pembekuan dan pencairannya sendiri. Oleh itu, air garam membeku hanya pada suhu -1.8 °C, dan pencairannya hanya berlaku apabila ia mencapai +2.3 °C.

Bahagian negatif air

Air bukan sahaja membawa kebaikan kepada manusia. Ternyata kira-kira 80% penyakit boleh disebarkan melalui air. Atas sebab yang sama, kira-kira 25 juta orang mati setiap tahun di dunia.

Glasier mencair

Para saintis telah mengira bahawa jika semua glasier di planet kita cair, maka 1/8 daripada tanah bumi akan berada di bawah air, dan sebagai tambahan, paras air di lautan dunia akan meningkat sebanyak 65 meter.

Apakah fakta menarik tentang air yang anda tahu?