что такое вода с точки зрения физики
Урок 27. Состав и физические свойства воды
В уроке 27 «Состав и физические свойства воды» из курса «Химия для чайников» узнаем, что из себя представляет вода, выясним её состав, а также физические свойства.
Наиболее распространенным оксидом на Земле является оксид водорода H2O, или вода. Без воды, как и без кислорода, невозможна жизнь человека, животных и растений.
Вода — единственное вещество, существующее на Земле одновременно в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Она является основным компонентом морей и океанов, ледников и айсбергов, облаков и тумана.
Около 70 % поверхности Земли покрыто океанами, морями, реками и озерами — природными хранилищами воды. Из космоса толстый слой воды имеет голубой цвет (рис. 104), вот почему нашу планету называют голубой. Вода входит в состав всех живых организмов, а также очень многих минералов.
Состав и строение воды
Как вы уже знаете, молекула воды состоит из трех атомов — двух атомов водорода и одного атома кислорода (рис. 105). Относительная молекулярная масса воды равна:
Следовательно, молярная масса воды равна:
Вода — это вещество с молекулярным строением. В твердом (рис. 106) и жидком агрегатных состояниях молекулы воды прочно связаны друг с другом. Этим во многом объясняется целый ряд удивительных физических свойств воды.
Физические свойства воды
При комнатных условиях вода представляет собой жидкость без вкуса и запаха. В тонком слое вода не имеет цвета. Однако при толщине более 2 м она имеет голубой цвет. Совершенно чистая вода очень плохо проводит электрический ток.
На заметку: По тому, как проводит электрический ток вода, можно судить о ее чистоте — чем ниже электропроводность, тем чище вода.
У воды высокая теплоемкость, поэтому она медленно нагревается, но и медленно остывает. Это позволяет морям и океанам накапливать тепло летом (и днем) и высвобождать его зимой (и ночью), что предотвращает резкие колебания температуры воздуха на нашей планете в течение года (и суток). Моря и океаны служат своеобразными аккумуляторами тепла на нашей планете.
При нормальном давлении (101,3 кПа) температура кипения воды равна 100 °С. При понижении давления температура кипения воды понижается. Например, в горах на высоте около 5000 м давление существенно ниже нормального (примерно в два раза), поэтому вода закипает в этих условиях при температуре около 84 °С. Понятно, что варить продукты до готовности в горах необходимо более длительное время. И наоборот, в скороварке, где создается высокое давление, вода закипает при температуре выше 100 °С, что позволяет быстрее приготавливать пищу.
Вода как растворитель
С совершенно чистой водой, не содержащей никаких других веществ, большинство людей никогда не встречается. Такая вода используется только в специальных целях.
Почти все жидкости, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни и деятельности, представляют собой растворы различных веществ.
Раствор — это однородная смесь двух и более веществ.
Одно из веществ, входящих в состав раствора, называется растворителем, а остальные — растворенными веществами. Очень часто растворителем является вода. Вода может растворять твердые, жидкие и газообразные вещества.
Все природные воды содержат растворенные соли. Их легко обнаружить экспериментально, выпарив воду на часовом стекле. Кроме солей, вода может растворять различные газы. Их присутствие (правда, не всегда) можно обнаружить экспериментально. Например, поместив пробирку с холодной водой из-под крана в теплое место, через некоторое время можно заметить у стенок пробирки пузырьки. Это растворенные газы (преимущественно кислород) выделяются из раствора при его нагревании до комнатной температуры (рис. 108).
Многие жидкости также хорошо растворимы в воде. Например, серная кислота и спирт неограниченно растворяются в воде. В таком случае говорят, что вещество смешивается с водой в любых соотношениях. Из-за хорошей растворимости многих веществ в воде ее иногда называют универсальным растворителем.
Краткие выводы урока:
Надеюсь урок 27 «Состав и физические свойства воды» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.
Что такое вода: агрегатные состояния, роль на Земле
Вода — самая удивительная и загадочная из всех жидкостей, существующих на Земле.
Учёные на протяжении многих столетий продолжают проводить исследования, находя новые интересные факты. Каждый человек знает, что без воды жизнь невозможна.
Вода участвует в формировании климата, для многих живых организмов является средой обитания. Её важность сложно недооценить. Не случайно, нашу планету называют голубой, именно вода покрывает 71 % поверхности земного шара.
В статье мы собрали самую важную и интересную информацию про воду: гипотезы её появления на нашей планете, особенности строения молекулы, агрегатные состояния, уникальные и необычные свойства.
Что такое вода, химические названия
Вода — это бинарное неорганическое соединение, химическая формула H2O.
При нормальных условиях представляет собой прозрачную, бесцветную жидкость, которая не имеет вкуса и запаха, текуча (принимает форму сосуда).
Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, которые соединены между собой ковалентной связью. Никакие другие элементы таблицы Менделеева при соединении не образуют жидкости. Рассмотрим строение молекулы H2O на изображении.
Вода имеет несколько химических названий:
Агрегатные состояния
Из всех веществ, существующих на Земле, только вода может иметь три принципиально разных агрегатных состояния: жидкое, газообразное и твердое. Благодаря трём агрегатным состояниям происходит круговорот воды в природе и жизнь на Земле. Рассмотрим подробнее каждое агрегатное состояние.
Строение в различных агрегатных состояниях
Жидкая вода, лёд и водяной пар имеют один и тот же состав, но разные состояния.
Рассмотрим строение молекулы на изображении.
Многочисленные исследования ученых подтверждают, что по структуре вода и лед близки друг к другу. Структура льда – это решетчатый каркас. Структура воды зависит от содержания разных веществ, которые в ней растворяются, а также от нерастворимых соединений и некоторых других факторов.
В воде возникают структуры, которые стали называть «кластерами» — группа атомов или молекул, которые представляют собой единую структуру, но внутри имеют свои индивидуальные особенности.
При температуре близкой к точке замерзания, молекулы жидкой воды собираются в небольшие группы, практически так, как в кристаллах. При температуре близкой к точке кипения они располагаются более свободно.
Свойства
Вода — уникальный природный компонент, который обладает рядом свойств. Рассмотрим основные:
Существуют необычные свойства. Например, в твердом виде вода легче, чем в жидком. Лёд не тонет в воде. В твёрдом состоянии частички воды располагаются по порядку, между ними остается много свободного пространства. Когда лёд тает, активность частичек повышается, свободное пространство заполняется. Жидкая форма становится более тяжелой, нежели твердая.
Такая уникальная способность даёт возможность любому водоёму не замерзать по всей глубине. Даже при самом сильном морозе температура воды у дна не опускается ниже +4 ᵒС. Все живые существа (рыбы и другие) могут спокойно пережить самую суровую зиму подо льдом.
Когда лёд тает, плотность увеличивается, и становится максимальной при температуре +4 ᵒС. В диапазоне от +4 ᵒС до +40 ᵒС плотность снижается, потом снова увеличивается. При понижении температуры ниже +4 ᵒС плотность уменьшается, т.е. при замерзании вода расширяется.
Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Это связано с большей скоростью испарения и излучения тепла.
Теплоемкость и некоторые другие физические свойства воды тоже зависят от температуры неодинаково. Другие виды жидкостей не имеют таких особенностей – чтобы какой-то один параметр менялся по-разному на разных порогах температуры.
Круговорот воды в природе
Вода образует водную оболочку нашей планеты – гидросферу.
Её делят на Мировой океан, континентальные поверхностные воды и ледники, а также подземные водоёмы. Переходы H2O из одних частей гидросферы в другие составляют сложный круговорот воды на Земле
Круговорот воды в природе — это непрерывное движение воды в гидросфере Земли. В процессе этого обмена водная масса меняет агрегатное состояние: из жидкой или твердой превращается в газообразную и обратно.
Рассмотрим на примере.
Происхождение воды на планете
Возникновение воды на нашей планете является предметом научных споров. Существует 2 основные гипотезы:
Наука о воде
Изучением природных вод, явлений и процессов занимается наука Гидрология.
Первые упоминания о гидрологии появились на заре истории человечества около 6000 лет назад.
Начало гидрологических наблюдений в России относится к XV–XVI вв.: в записях русских летописцев сохранились сведения о свойствах воды, наводнениях, паводках, замерзании.
Значение на Земле
Каждая клетка живого организма состоит из жидкости и нуждается в регулярном пополнении. Без воды не проживут ни люди, ни растения, ни животные.
Вода формирует климат, участвует в круговороте воды в природе, для многих живых организмов является средой обитания.
Применение
Все люди на планете прекрасно знают, что жизнь без воды невозможна. Любое начало жизни изначально зарождается в воде.
Человек применяет воду:
Сколько жидкости в теле человека
Эмбрион человека состоит из жидкости не менее, чем на 97%. Когда ребенок рождается, вода составляет около 80% его тела. В первые несколько суток после рождения этот показатель существенно снижается.
В дальнейшем содержание воды в организме человека постоянно уменьшается. В пожилом возрасте в теле человека доля воды не превышает 50-60%.
Как определить, сколько воды в теле человека?
Массу тела необходимо разделить на 3 и умножить на 2.
Стоит отметить, что расчет считается приблизительным (может отличаться на 5-10%) Так как количество воды зависит от возраста, пола, физической активности, состояния здоровья.
Основные функции
Вода необходима каждому живому существу. Каждый живой организм состоит из клеток. Ключевую роль выполняет вода. Она составляет около 70 процентов от её массы. Рассмотрим кратко основные функции.
Польза чистой питьевой воды
Врачи, диетологи и другие специалисты часто совершают ошибку, когда слишком много внимания уделяют разным продуктам питания и забывают про воду. Любые вещества, даже самые питательные и полезные, могут оказаться совершенно неэффективными, если нет растворителя, способного доставить их в нужные части тела. На Земле есть только один простой, надежный и распространенный растворитель – вода.
Вода участвует абсолютно во всех обменных процессах. И чтобы они протекали нормально, необходимо пить достаточное количество чистой воды. Именно воды, не чая, не напитков. Содержание разных примесей, консервантов и прочих веществ существенно меняют структуру, нормальное молекулярное состояние воды.
Изначально природой заложено употреблять чистую воду. Когда в организм вносится некая смесь, то пищеварительной системе приходится прикладывать много усилий, растрачивать много энергии, чтобы отделить все лишнее и получить воду. Кроме этого, высокое содержание сахара неизбежно провоцирует нарушение нормального обмена веществ.
Питьевая вода должна быть чистая, свежая, качественная, «живая». Т.е. это должна быть натуральная природная вода, которая при попадании в организм легко проникает во все клетки, служит эффективным растворителем. Она быстро доставляет все питательные вещества к тканям и органам.
Сколько нужно пить воды в день
Рекомендуется употреблять чистую воду без примесей 30-40 мл на 1 кг веса.
для женщины: 1,5 – 2 литра ежедневно;
для мужчины: 2,5 – 5 литров ежедневно.
Количество рекомендуемой нормы зависит от физической активности, климата и веса.
Процентное содержание в органах
Вода в теле человека находится в разных субстанциях и никогда не смешивается в единое целое.
Жидкости больше в тех клетках, в которых обмен веществ протекает более интенсивно. Рассмотрим таблицу № 1.
Таблица № 1. Процент содержания в органах человека
| Органы | Процент содержания |
| Мозг | 90 |
| Лёгкие | 86 |
| Печень | 86 |
| Кровь | 83 |
| Яйцеклетки | 90 |
| Кости | 72 |
| Кожа | 72 |
| Сердце | 75 |
| Желудок | 75 |
| Селезёнка | 77 |
| Почки | 83 |
| Мышцы | 75 |
Признаки обезвоживания
Если содержание воды резко меняется в одну или другую сторону, то это сразу сказывается на общем состоянии здоровья. Чрезмерное количество воды организм переносит намного легче, чем ее нехватку. Рассмотрим основные симптомы проявления нехватки воды в организме человека.
При длительном сохранении такого состояния могут возникнуть проблемы:
Проходя гидрологический цикл, вода может дополняться химическими элементами: ионами, растворенными газами, микроэлементами и т.д.
Воду квалифицируют по следующим признакам:
Рассмотрим некоторые виды на рисунке.
Запасы пресной воды
Несмотря на то, что Земля более, чем на 70% покрыта водой, лишь 1% является пресной (её солёность не превышает 0,5 ‰).
Более 2/3 запасов пресной воды на Земле хранится в ледниках. Крупнейшим водоёмом пресной воды считается озеро Байкал в России.
Показатели качества
В воде, которая течет из кранов современных городских квартир, могут содержаться вредные примеси. Такую воду стали называть словом «техногенная». В ней содержатся металлы, песок, глина, хлор и много чего еще.
Современные нормы очистки водопроводной питьевой воды предполагают использование хлорсодержащих реагентов, которые избавляют воду от инфекций. В дополнение рекомендуется использовать дополнительные методы очистки. Например, фильтры.
Большой популярностью в развитых странах пользуется бутилированная питьевая вода. Она является экологически чистым продуктом. Реализуется в гигиенически чистой ёмкости и соответствует всем установленным требованиям.
25 интересных фактов
Ученые постоянно исследуют оксид водорода, находя интересные факты.
Заключение
Вода – удивительное вещество, обладающее химическими и физическими свойствами. Она формирует климат на планете, для многих живых организмов является средой обитания, необходима для фотосинтеза растений и жизнедеятельности всех живых организмов.
Ученые обнаружили второе жидкое состояние воды — в чем секрет феномена?
Все мы еще со школьной скамьи знаем, что вода бывает в трех состояниях — жидком, твердом и газообразном, то есть существует непосредственно в виде воды, в виде льда и пара. Однако у одного и того же вещества может быть несколько твердых состояний. Различие заключается только в том, как атомы расположены друг относительно друга. Причем это их расположение является решающим для таких свойств, как плотность, прочность, прозрачность, а порой даже стоимость. Лучшим тому примером служит алмаз и графит — оба этих вещества являются углеродом, но в разных состояниях. Спутать их, согласитесь, не получится так же, как не получится и превратить графит в алмаз или наоборот. У воды тоже существуют разные твердые состояния, причем их открыто уже 14. Причем во вселенной преобладает вода в необычных для Земли формах. Несколько десятков лет назад ученые предположили, что и у жидкой воды есть несколько состояний. И вот совсем недавно эта гипотеза получила научное подтверждение. Но, что представляет собой второе состояние воды и в каких условиях возникает?
Второе состояние воды — откуда взялась гипотеза
По этой причине два состояния воды в одной емкости будут образовывать слои и никогда не смешаются между собой. Примерно так же, как масло и вода — растворить одно в другом не получится, так как масло имеет меньшую плотность, в результате чего всплывает на поверхность воды и распределяется тонкой пленкой.
Во втором жидком состоянии вода смогла просуществовать не более трех микросекунд
Как второе жидкое состояние воды удалось зафиксировать
Спустя 30 лет ученым-физикам наконец удалось доказать, что вода действительно может иметь, как минимум, два состояния. Результаты опытов опубликованы в журнале Science. Для эксперимента авторы использовали два фемтосекундных лазера. Один из них инфракрасный, который позволяет моментально нагревать лед и превращать его в воду. Второй, рентгеновский, использовался для зондирования образца, то есть позволял ученым отслеживать в каком состоянии находится вода в тот или иной момент времени.
В результате им удалось зафиксировать образование необычных пузырей, которые содержали воду во втором жидком состоянии. Правда, существовала она непродолжительное время — от 20 наносекунд до 3 микросекунд. Через несколько микросекунд вода переходила в твердое состояние. Но главное, что теория тридцатилетней давности была подтверждена.
Ознакомиться с другими, не менее увлекательными и поражающими воображения исследованиями ученых можно на нашем Яндекс.Дзен-канале
Аномальные свойства воды и в чем практическая польза эксперимента
Вода — весьма загадочное вещество с точки зрения химии и физики. Она является отличным растворителем, и это свойство служит основой физиологии живых существ. К примеру, человек состоит из воды на 70-80%. Каждый из нас, по сути — большая вертикальная лужа. Но это не единственная ее интересная особенность.
Человек на 70-80% состоит из воды
Как известно, все вещества в твердом состоянии обладают более высокой плотностью, чем в жидком. Но только не вода! Замерзая, она увеличивается в объеме и становится легче. Если бы не это свойство, вся жизнь на Земле выглядела бы иначе, ведь водоемы промерзали бы до дна, а в полярных широтах не было бы плавучих льдов, так сильно влияющих на климат.
Поэтому, изучая свойства воды, ученые лучше понимают основы самых разных процессов, начиная от климатических, и заканчивая биохимическими. Конечно, на земле второе состояние воды, не встретить. Для этого требуется высокое давление, не говоря уже о том, что существует такая жидкость несколько мгновений. Однако выявленный феномен может возникать в результате определенных свойств, которые, возможно, проявляются и в нормальных земных условиях.
Если вы хотите больше узнать о загадочных природных явлениях и феноменах, которым ученые не могут найти объяснения, обязательно подпишитесь на наш Telegram-канал.
Что такое вода с точки зрения физики
Межатомное расстояние О-H
Валентный угол H-О-H
Cp. электрич. квадрупольный момент
Сродство к протону
Физические свойства воды. В. может существовать в твёрдом (лёд), жидком и газообразном состояниях. Области существования разл. фаз В. показаны на диаграмме (рис. 1). Физ. свойства В. своеобразны. Так, при атм. давлении плавление льда В. сопровождается уменьшением объёма на 9% (рис. 2); коэф. термич. расширения льда (модификации Ih, см. ниже) в интервале 0-63 К и жидкой В. до 3,98 0 C отрицателен (рис. 3). Теплоёмкость ср жидкой В. почти вдвое выше, чем твёрдой и газообразной, и в интервале темп-р 0- 100 0 C почти не зависит от темп-ры (имеется очень пологий минимум при 35 0 C). Минимум изотермич. сжимаемости наблюдается при 46 0 C (рис. 4). Не совсем обычна зависимость вязкости жидкой В. от давления: в области сравнительно низких давлений при темп-pax до 30 0 C вязкость с ростом давления уменьшается. Молекула В.- полярная, и жидкая В., и лёд являются диэлектриками. В. диамагнитна. Свойства В. зависят от её изотопного состава. Так, давление пара D2O при 20 0 C на 13% ниже, чем пара H2O; при 222 0 C значение давлений для них одинаковы, а при более высоких темп-pax давление пара D2O выше, чем для H2O. Ниже приведены значения нек-рых физ. величин для обычной и тяжёлой В. в газообразном, жидком и твёрдом (лёд Ih) состояниях при атм. давлении (кроме критич. параметров):
жидкость при 20 0 C
Вязкость при 20 0 C
Теплота сублимации льда при 0 0 C
жидкость при 0 0 C
жидкость при 25 0 C
жидкость при 0 0 C
жидкость при 100 0 C
Адиабатич сжимаемость при 20 0 C
Время диэлектрич. релаксации
жидкость при 25 0 C
Молекулярная магн восприимчивость при 20 0 C
Поверхностное натяжение жидкой воды
Показатель преломления при 20 0 C
Благодаря высоким теплоёмкости, теплоте плавления и испарения, а также особенности зависимости плотности от темп-ры, В. является важным регулятором и стабилизатором климатич. условий на Земле. Высокая диэлектрич. проницаемость, большой дипольный момент молекулы, обеспечивающие хорошую растворимость в В. мн. веществ, широкий температурный интервал существования жидкого состояния наряду с аспространённостью В. обусловливают её широкое применение для мн. технол. процессов.
Рис. 1. Фазовая трёхмерная диаграмма воды. Показаны области температуры и давлений существования и сосуществованияразличных фаз и их удельные объёмы.
15 кДж/моль), расстояние между атомами кислорода в них
Рис. 2. Температурная зависимость молярного объема жидкой воды при атмосферном давлении в области её максимальной плотности.
Рис. 4. Температурная зависимость коэффициента изотермической сжимаемости для жидкой воды при атмосферном давлении.
Рис. 5. Тетраэдрическая координация молекул воды в конденсированных фазах. Показана одна из многих возможных ориентации молекул.
Известно 10 модификаций льда (табл.), существует также аморфный лёд.
Симметрия кристаллов и плотность льда
Сингония и пространственная группа
при 98 К и атм. давлении
в области стабильного существования *
кубическая, 
тригональная, 
тригональная,
Рис. в. Структура обычного (1h) льда.
Представление о жидкой В. как о трёхмерной тетраэдрич. сетке из связанных друг с другом молекул впервые было высказано Дж. Д. Берналом (J. D. Веrnal) и P. Фаулером (R. G. Fowler) в 1933. Как показали эксперим. данные 70-80-х гг., в жидкой В. реализуется нек-рая случайная тетраэдрич. сетка, отличная от существующих в кристаллич. модификациях льда или в др. тетраэдрич. координированных кристаллич. структурах. Такая концепция наилучшим сбразсм согласуется и с результатами изучения В. теоретич. методами и при помощи численного моделирования на ЭВМ (молекулярной динамики метод и Монте-Карло метод).
В. взаимодействует со мн. элементами и веществами. Так, при реакции В. с наиб. активными металлами выделяется водород и образуется соответствующая гидроокись. При реакции В. со мн. окислами образуются к-ты или основания. В. гидролизует гидриды и карбиды щелочных и щелочноземельных металлов и др. вещества.
Среди кристаллогидратов особый интерес представляют клатратные гидраты, в к-рых молекулы В,, соединяясь водородными связями друг с другом, образуют трёхмерный каркас, содержащий крупные пустоты, в к-рых размещаются молекулы др. веществ (в т. ч. атомы инертных газов, молекулы углеводородов, CO2, Cl2 и др.). Эти клатратные гидраты можно рассматривать как неустойчивые в свободном состоянии модификации льда, стабилизированные внедрившимися в пустоты химически малоактивными молекулами.