Физика воды. Значение воды для жизни на Земле

Экспериментальные исследования, выполненные в XIX веке весовыми и  объемными методами, в конце концов убедительно показали, что вода как химическое соединение может быть выражена формулой H₂O.

Как уже известно, молекула воды довольно "однобока" - оба  атома водорода примыкают к кислороду  с одной стороны. Интересно, что  эта чрезвычайно важная особенность  молекулы воды была установлена чисто  умозрительно задолго до эпохи спектроскопических исследований английским профессором  Д. Берналом. Он исходил из того, что  вода обладает весьма сильным электрическим  моментом (в то время, в 1932 г., это  было известно). Проще всего, конечно, молекулу воды "сконструировать", расположив все входящие в нее  атомы по прямой линия, т.е. H-O-H. "Однако, - пишет Бернал, - водяная молекула подобным образом построена быть не может, ибо при такой структуре молекула, содержащая два положительных атома водорода и отрицательный атом кислорода, была бы электрически нейтральной, не обладала бы определенной направленностью… электрический момент может быть только, если оба атома водорода примыкают к кислороду с одной и той же стороны".

Вода и измерения.

Измерение - это сравнение  измеряемой величины с эталоном, образцовой мерой. Несмотря на все аномалии воды именно ее выбрал человек в качестве эталона для измерения температуры, массы (веса), количества тепла, высоты местности.

В древности, в Греции и  Риме, вода помогала человеку измерять время. Это было первое в истории  применение воды для измерений. Первоначально  водяные часы были очень простой  конструкции: наполненный водой  медный сосуд с узким отверстием на дне, через которое медленно, капля  за каплей, вытекала вода. По уровню воды в сосуде и определяли "истекшее" (в буквальном смысле слова) время. Для  этого на стенках сосуда были нанесены отметки - черточки. Водяные часы (клепсидра) заменяли собой в пасмурную погоду солнечные часы. Греки ставили клепсидру в суде чтобы всем участникам процесса предоставлять одинаковое время для выступления, которое измерялось клепсидрой. Вот из какой глубокой древности дошло до нас современное выражение: "Ваше время истекло!".

При создании термометра, точнее, его шкалы, были использованы некоторые  физические свойства воды. Немецкий физик  Фаренгейт, проживший большую часть  своей жизни в Голландии, изобрел  в 1714-1715 гг. ртутный термометр и  сделал температурную шкалу, носящую  его имя. В качестве "реперов" (исходных точек) для шкалы он принял точку кипения воды, которую обозначил 212°, и точку, соответствующую температуре  смеси льда с солью (-17,5 °С), обозначив  ее 0°. Затем разделил шкалу от 212 до 0° на 212 равных частей. Температура  таяния льда (0° по шкале Цельсия) соответствует 32° по шкале Фаренгейта. Таким образом, по этой шкале температурный  интервал между точкой кипения воды и точкой таяния льда разделен на 180 делений - от 212 до 32° (а не на 100 делений, от 100 до 0°, как на шкале Цельсия). Нам отсчеты температуры по шкале Фаренгейта покажутся очень неожиданными и странными. Например, в теплый летний день, с температурой 26-27 °С, термометр Фаренгейта покажет 80°!

В 1730 г. французский естествоиспытатель, член Парижской академии наук, изобретатель спиртового термометра, Рене Реомюр предложил  температурную шкалу, на которой  диапазон между точками кипения  воды и таяния льда разделен на 80 равных частей, от 80 до 0° (шкала Реомюра). Такой  шкалой обычно пользовались в быту в России до Октябрьской революции.

Наконец, шведский физик  Андерс Цельсий, член Стокгольмской  академии наук, создал в 1742 г. стоградусную шкалу термометра, которой в настоящее  время пользуются почти повсеместно. Теперь точка кипения воды обозначена 100°, а точка таяния льда 0° (а первоначально было наоборот: Цельсий обозначил точку кипения 0°, а точку таяния 100°!).

При разработке метрической  системы, установленной по декрету  французского революционного правительства  в 1793 г. взамен различных старинных  мер, вода была использована для создания основной меры массы (веса) - килограмма и грамма. 1 г, как известно, это  вес 1 см³ (миллилитра) чистой воды при температуре ее наибольшей плотности - 4 °С. Следовательно, 1 кг - это вес 1 л (1000 см³) или 1 дм³ воды, а 1 т (1000 кг) - это вес 1 м³ воды.

Вода была использована и  для измерения количества тепла. Единица количества тепла - калория. Она определяется как количество тепла, необходимое для нагревания 1 г чистой воды на 1 °С (точнее, для нагревания 1 г воды с 14,5 до 15,5 °С).

Так вода помогла физикам  установить удобные меры температуры, массы, тепла.

Все высоты и глубины на земном шаре, будь то вершины высочайших гор или низменности, расположенные  ниже уровня моря, подъем искусственного спутника или спуск батискафа  на дно морское, отсчитываются от уровня моря. Это может показаться парадоксальным: ведь что может быть изменчивее поверхности моря. Море все время в движении, волны  и приливы постоянно колеблют его поверхность. И все же, несмотря на непостоянство, поверхность моря с давних пор признана учеными-геодезистами самой пригодной исходной поверхностью для определения так называемой абсолютной высоты, иначе называемой высотой над уровнем моря (под относительной высотой понимают превышение одной точки на поверхности суши над другой, относительная высота горы -это превышение ее вершины над подошвой).

Почему же выбрали геодезисты поверхность моря? Если бы каким-то чудом вдруг прекратились колебания вызываемые сгонными и нагонными ветрами, приливами и отливами, то уровень моря установился бы в среднем положении в положении равновесия. Так как все моря и океаны соединены между собой, то, по закону сообщающихся сосудов, их уровень должен был бы установиться во всем мире на одной высоте. Вот этот-то средний уровень моря, не изменяющийся в течение многих десятилетий и столетий, и принят в качестве исходной поверхности для отсчета высот на суше. Поэтому абсолютная высота - это высота не над каким-то случайным уровнем моря, а над его средним уровнем. А чтобы установить положение среднего уровня, необходимо в течение ряда лет (не менее 2-3 десятилетий) непрерывно наблюдать за колебанием уровня воды в море. Абсолютная высота отсчитывается обычно от среднего уровня того моря, на берегу которого расположена данная страна. Если страна находится вдали от морских берегов, измерения привязываются к среднему уровню ближайшего моря. В России абсолютные высоты отсчитываются от среднего уровня Балтийского моря - от нуля Кронштадского футштока, высотное положение которого совпадает со средним многолетним уровнем Финского залива и, следовательно, Балтийского моря. По этому футштоку, установленному на каменном устое моста через Обводный канал в Кронштадте, ведутся непрерывные наблюдения. Нуль футштока совмещен с горизонтальной чертой, высеченной на устое моста, и закреплен медной пластиной с надписью "Исходный пункт нивелирной сети России". Увидеть эту черту можно только тогда, когда уровень воды в канале ниже среднего (ординара).

Жесткость воды.

Если заглянуть внутрь чайника, в котором кипятят воду, на стенках можно увидеть жёлто-коричневый шершавый налёт - накипь. Откуда она  берётся? В водопроводной воде всегда присутствуют ионы двухвалентных металлов - кальция, магния и других, а также  гидрокарбонат-ионы. Когда воду нагревают, между ними происходит реакция:

M²⁺ + 2HCO₃^- → MCO₃↓ + H₂O + CO₂↑

Символом "M" обозначены Ca или Mg. Выпадающий в осадок карбонат - это и есть накипь. Чтобы удалить накипь, достаточно залить чайник на ночь раствором столового уксуса (для экономии его можно разбавить в 2-3 раза, но тогда процесс будет идти дольше). Карбонаты медленно растворяются в уксусе:

CaCO₃ + 2CH₃COOH = Ca(CH3COO)₂ + CO₂↑ + H₂O

Для ускорения реакции  уксус можно прокипятить в  чайнике. Карбонаты кальция и  магния - бесцветные, а коричневый цвет накипь приобретает за счёт примеси гидроксида железа (Ш), образующегося при окислении карбоната железа(II):

            Fe²⁺+2HCO₃^-→FeCO₃↓+H₂O+CO₂ 
           4FeCO₃ + O₂ + 6H₂O → 4Fe(OH)₃↓ + 4CO₂

Воду, в которой мыло плохо  пенится, называют жёсткой. И здесь  опять-таки виноваты ионы кальция и  магния - именно они мешают формированию пены. Убедиться в этом поможет  простой опыт. Сначала приготовим жёсткую воду. Способов есть множество. Можно, например, развести в стакане  водопроводной воды две столовые ложки продаюшегося в аптеках 10-процентного раствора хлорида кальция. Или в таком же количестве воды растворить чайную ложку морской соли - сложной смеси различных солеи, в которой присутствуют соединения магния. А можно использовать и "готовую" жёсткую воду - кальциевую или магниевую минеральную. Растворим в жёсткой воде кусочек хозяйственного мыла размером с 2-3 спичечных головки и для сравнения такой же кусочек - в стакане обычной водопроводной воды. В обоих случаях получится мутный раствор. Теперь через трубочку или соломинку продуем в мыльные растворы воздух. В обычной воде появится пена, а в жёсткой - нет. Причина в том, что ионы двухвалентных металлов реагируют со стеаратом натрия, из которого состоит мыло. При этом образуются нерастворимые стеараты:

2C₁₇H₃₅COONa + MCl₂ → (C₁₇H₃₅COO)₂M↓ + 2NaCl

С одной стороны, умеренная  жёсткость - обязательное качество для  питьевой воды, поскольку из неё  мы получаем часть кальция, необходимого организму. С другой стороны, жёсткость  серьёзно мешает при использовании  воды и в домашнем хозяйстве, и  в промышленности. Накипь отлагается на внутренних стенках котлов и труб. Из-за неё внутренний диаметр старых отопительных труб оказывается сужен в два-три раза. К тому же, накипь - образование пористое и служит теплоизолятором. В результате трубы центрального отопления перестают отдавать тепло, а стенки котлов - пропускать тепло к воде, которую нужно нагреть. А стоит в слое накипи возникнуть трещине, как горячая вода добирается до стенки трубы. Если это случится зимой, то из-за локального перепада температур труба может лопнуть. Вот почему жёсткость водопроводной воды приходится нормировать. По российским стандартам содержание в ней ионов кальция и магния не должно превышать 3,5 ммоль/л. Если считать, что вся жёсткость обеспечивается гидрокарбонатом кальция Ca(HCO₃)₂, то это соответствует 0,55 г гидрокарбоната кальция в литре. Когда жёсткость воды в источнике превышает этот показатель, воду пропускают через специальные сложные органические вещества - ионообменные смолы, которые связывают ионы кальция и магния.

Жёсткость, которая обусловлена  гидрокарбонатами кальция и магния, устраняется кипячением, и её называют временной. Но есть другие соли кальция  и магния (хлориды, сульфаты), в изобилии присутствующие в воде, и кипячение  их не удаляет. Вызванная ими жёсткость  называется постоянной. В системах отопления и теплообмена она  практически не мешает - мешает только временная. Если к воде добавить какую-либо кислоту, она разрушит гидрокарбонаты:

H⁺ + HCO₃^- → H₂O + CO₂↑

          Тем самым временная жёсткость перейдёт в постоянную, и образование накипи будет предотвращено. Однако избыток кислоты может вызвать коррозию труб.

Чтобы соли не мешали образованию  мыльной пены, нужно удалять любую  жёсткость. Самый старый способ - добавление к воде соды Na₂CO₃. Она связывает ионы кальция и магния в нерастворимые карбонаты:

Ca²⁺ + CO^2- → CaCO₃↓ 
2Mg²⁺ + 3CO^2- + 2H₂O → (MgOH)₂CO₃↓ + 2HCO3^-

Соду смешивают с мылом  и получают простейший стиральный порошок, которому не страшна жёсткая вода. Иногда вместо соды используют фосфат натрия, также образующий с магнием  и кальцием нерастворимые соединения. И карбонат, и фосфат натрия - довольно сильные основания, поэтому порошки  на их основе лучше применять для  стирки тканей из волокон растительного  происхождения - льняных и хлопковых; белковые волокна, в первую очередь  шерсть и шёлк, от таких порошков быстро разрушаются. Более щадящий, но и более дорогой способ умягчения  воды - добавление двунатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты Na₂H₂ЭДТА (трилона Б), которая образует с кальцием и магнием прочное комплексное соединение:

2H₂ЭДТА^2- + Ca²⁺ = CaЭДТА^2- + 2Н⁺

В моющих средствах для  твёрдых поверхностей в качестве умягчителей используют цеолиты. Это алюмосиликаты, в кристаллической решётке которых есть пустоты, куда могут встраиваться ионы кальция и магния. Кроме того, цеолиты очень тверды и оказываются хорошими абразивами, т.е. механически счищают грязь. А ещё они легко адсорбируют многие органические вещества, которые нужно смывать с поверхностей. Поэтому добавление цеолитов в моющие средства "убивает сразу трёх зайцев".

Однако все описанные  умягчители весьма ограниченно применимы в средствах для умывания. Сода и фосфат натрия плохи, поскольку, как и любые основания, медленно разрушают кожу; трилон Б - из-за свойства выводить из поверхностных слоев кожи соли кальция; цеолиты сдирают верхний слой кожи, как наждак. В лучших гигиенических средствах (мылах, шампунях, пенах для ванн и т.д.) избегают использования умягчителей. В них мыло заменяют веществами, которые не образуют с кальцием и магнием нерастворимых соединений. Это в первую очередь лаурилсульфат натрия H₃C-(CH₂)₁₀-O-SO₃Na и оксиэтилированные спирты и кислоты, например H₃C-(CH₂)₁₁-(O-CH₂-CH₂)_n-OH.

Тяжёлая вода.

Тяжелая вода - вода в которой "обычный" водород ¹H (легкий) заменен тяжелым изотопом ²H - дейтерием (D). У тяжелой воды, также как и у обычной, нет ни цвета, ни вкуса, ни запаха.

В настоящее время известны три изотопа водорода: ¹H, ²H(D), ³H(T). Самый легкий из них - ¹H называется протием. Почти целиком из него состоит обычная вода, частично в ней содержится более тяжелый водород - дейтерий (D) и сверхтяжелый тритий (T). Встречаются три изотопа кислорода: ¹⁶O, тяжелый ¹⁸O и совсем немного в природе ¹⁷O. С помощью мощных ускорителей и реакторов физики получили еще пять радиоактивных изотопов кислорода: ¹³O, ¹⁴O, ¹⁵O, ¹⁹O, ²⁰O. Продолжительность их жизни очень коротка - она измеряется несколькими минутами, затем, распадаясь, они превращаются в изотопы других элементов.

В составе обычной воды можно обнаружить не только тяжелую  воду. Известна сверхтяжелая вода T₂O (атомная масса трития - Т равна 3) и тяжелокислородная вода, молекулы которой содержат вместо атомов ¹⁶O атомы ¹⁷O и ¹⁸O. Изотопные разновидности воды присутствуют в обычной в ничтожнейших количествах. В природных водах на один атом дейтерия приходится 6500-7200 атомов водорода ¹H, а чтобы обнаружить один атом трития, надо иметь по крайней мере 10¹⁸ атомов ¹H.

После обнаружения тяжелой  воды ученые поначалу были настолько  удивлены, что рассматривали тяжелую  воду как химический курьез. Однако удивление было недолгим. Итальянский  физик Энрико Ферми, проводивший эксперименты в области ядерной физики, понял, что тяжелая вода имеет огромнейшее военное значение. С тех пор события, развивающиеся вокруг этой странной жидкости, были полны драматизма и глубочайшей секретности. И все потому, что судьба тяжелой воды тесно переплеталась с развитием атомной энергетики. Такая вода используется в ядерных реакторах как теплоноситель и замедлитель нейтронов.

Основные физико-химические константы обычной и тяжелой  воды существенно различаются. Обычная  вода, ее водяной пар и лед, состав которых выражается химической формулой H₂O, имеет молекулярную массу 18,0152 г. Лед образуется при 0°С (273 K), а закипает вода при 100 °C (373 K). Тяжелая вода превращается в лед при 3,813 °C, а пар образуется при 101,43 °C. По вязкости тяжелая вода на 20 % превосходит обычную воду, а максимальная плотность наблюдается при температуре 11,6 °C. Ее химическая формула D₂O, где водород заменен на дейтерий, атомная масса которого в 2 раза больше. Окись дейтерия имеет молекулярную массу 20,027. Удельная масса ее на 10 % выше, чем у обычной воды. Вот почему она и называется тяжелой водой.