Wasser ist eine ungewöhnliche Substanz, die eine eingehende Untersuchung verdient. Der sowjetische Akademiker I. V. Petryanov hat ein Buch über diese erstaunliche Substanz geschrieben, The Most Unusual Substance in the World. Welche Anomalien in den physikalischen Eigenschaften von Wasser sind von besonderem Interesse? Gemeinsam suchen wir nach der Antwort auf diese Frage.
Interessante Fakten
Wir denken selten über die Bedeutung des Wortes "Wasser" nach. Auf unserem Planeten sind mehr als 70 % der Gesamtfläche von Flüssen und Seen, Meeren und Ozeanen, Eisbergen, Gletschern, Sümpfen, Schnee auf Berggipfeln sowie Permafrost eingenommen. Trotz so viel Wasser ist nur 1% trinkbar.
Biologische Bedeutung
Der menschliche Körper besteht zu 70-80% aus Wasser. Diese Substanz gewährleistet den Fluss aller lebenswichtigen Prozesse, insbesondere werden dank ihr Giftstoffe entfernt und Zellen wiederhergestellt. Die Hauptfunktion des Wassers in einer lebenden Zelleist strukturell und energetisch, mit einer Abnahme seines quantitativen Inh alts im menschlichen Körper „schrumpft“.
Es gibt kein solches System in einem lebenden Organismus, das ohne H2O funktionieren könnte. Trotz der Anomalien des Wassers ist es ein Standard zur Bestimmung von Wärmemenge, Masse, Temperatur, Höhe.
Grundlegende Konzepte
H2O - Wasserstoffoxid, das 11,19 Massenprozent Wasserstoff und 88,81 Massenprozent Sauerstoff enthält. Es ist eine farblose Flüssigkeit, die weder Geruch noch Geschmack hat. Wasser ist ein wesentlicher Bestandteil industrieller Prozesse.
Diese Substanz wurde erstmals Ende des 18. Jahrhunderts von G. Cavendish synthetisiert. Der Wissenschaftler ließ ein Sauerstoff-Wasserstoff-Gemisch mit einem Lichtbogen explodieren. G. Galileo analysierte 1612 erstmals den Unterschied in der Dichte von Eis und Wasser.
1830 wurde von den französischen Wissenschaftlern P. Dulong und D. Arago eine Dampfmaschine entwickelt. Diese Entdeckung ermöglichte es, die Beziehung zwischen Sättigungsdampfdruck und Temperatur zu untersuchen. 1910 entdeckten der amerikanische Wissenschaftler P. Bridgman und der Deutsche G. Tamman unter hohem Druck mehrere polymorphe Modifikationen im Eis.
1932 entdeckten die amerikanischen Wissenschaftler G. Urey und E. Washburn schweres Wasser. Aufgrund der Verbesserung der Ausrüstung und der Forschungsmethoden wurden Anomalien in den physikalischen Eigenschaften dieser Substanz entdeckt.
Einige Widersprüche in physikalischen Eigenschaften
Reines Wasser ist eine klare, farblose Flüssigkeit. Seine Dichte bei Umwandlung in eine Flüssigkeit ausFeststoffe zunimmt, zeigt dies eine Anomalie in den Eigenschaften des Wassers. Eine Erwärmung von 0 auf 40 Grad führt zu einer Erhöhung der Dichte. Eine hohe Wärmekapazität sollte als Anomalie des Wassers beachtet werden. Die Kristallisationstemperatur beträgt 0 Grad Celsius und der Siedepunkt 100 Grad.
Das Molekül dieser anorganischen Verbindung hat eine eckige Struktur. Seine Kerne bilden ein gleichschenkliges Dreieck mit zwei Protonen an der Basis und einem Sauerstoffatom an der Spitze.
Dichteanomalien
Wissenschaftler konnten etwa vierzig Merkmale identifizieren, die für H2O charakteristisch sind. Wasseranomalien verdienen eine genaue Betrachtung und Untersuchung. Wissenschaftler versuchen, die Ursachen für jeden Faktor zu erklären, um ihm eine wissenschaftliche Erklärung zu geben.
Die Anomalie der Dichte von Wasser liegt darin, dass diese Substanz ihren maximalen Dichtewert bei +3,98°C hat. Beim anschließenden Abkühlen, Übergang vom flüssigen in den festen Zustand, wird eine Abnahme der Dichte beobachtet.
Bei anderen Verbindungen nimmt die Dichte in Flüssigkeiten mit abnehmender Temperatur ab, da eine Erhöhung der Temperatur zu einer Erhöhung der kinetischen Energie von Molekülen beiträgt (ihre Bewegungsgeschwindigkeit nimmt zu), was zu einer erhöhten Brüchigkeit der Substanz führt.
Betrachtet man solche Anomalien des Wassers, so ist zu beachten, dass es mit steigender Temperatur ebenfalls dazu neigt, an Geschwindigkeit zuzunehmen, die Dichte aber erst bei höheren Temperaturen abnimmt.
Nachdem die Dichte des Eises verringert wurde, befindet es sich auf der Wasseroberfläche. Dieses Phänomen lässt sich dadurch erklären, dass die Moleküle im Kristall eine regelmäßige Struktur haben, die eine räumliche Periodizität aufweist.
Wenn gewöhnliche Verbindungen Moleküle haben, die dicht in Kristallen gepackt sind, dann verschwindet die Regelmäßigkeit, nachdem die Substanz geschmolzen ist. Ein ähnliches Phänomen wird nur beobachtet, wenn sich die Moleküle in beträchtlicher Entfernung befinden. Die Abnahme der Dichte beim Schmelzen von Metallen ist ein vernachlässigbarer Wert, der auf 2-4% geschätzt wird. Die Dichte von Wasser übersteigt die von Eis um 10 Prozent. Somit ist dies eine Manifestation der Wasseranomalie. Die Chemie erklärt dieses Phänomen mit einer Dipolstruktur sowie einer kovalenten polaren Bindung.
Kompressibilitätsanomalien
Reden wir weiter über die Eigenschaften des Wassers. Es zeichnet sich durch ungewöhnliches Temperaturverh alten aus. Seine Kompressibilität, also die Volumenabnahme bei steigendem Druck, kann durchaus als Beispiel für eine Anomalie der physikalischen Eigenschaften des Wassers angesehen werden. Welche Besonderheiten sind hier zu beachten? Andere Flüssigkeiten lassen sich unter Druck viel leichter komprimieren, und Wasser nimmt solche Eigenschaften erst bei hohen Temperaturen an.
Temperaturverh alten der Wärmekapazität
Diese Anomalie ist eine der stärksten für Wasser. Die Wärmekapazität gibt an, wie viel Wärme benötigt wird, um die Temperatur um 1 Grad zu erhöhen. Bei vielen Stoffen erhöht sich die Wärmekapazität der Flüssigkeit nach dem Schmelzen um nicht mehr als 10 Prozent. Und für Wasser nach dem Schmelzen von Eis verdoppelt sich diese physikalische Größe. Keine der Substanzenes wurde keine solche Zunahme der Wärmekapazität festgestellt.
Im Eis wird die Energie, die ihm zum Heizen zugeführt wird, hauptsächlich für die Erhöhung der Bewegungsgeschwindigkeit von Molekülen (kinetische Energie) aufgewendet. Eine deutliche Erhöhung der Wärmekapazität nach dem Schmelzen weist darauf hin, dass im Wasser weitere energieintensive Prozesse ablaufen, die einen Wärmeeintrag erfordern. Sie sind der Grund für die erhöhte Wärmekapazität. Dieses Phänomen ist typisch für den gesamten Temperaturbereich, in dem Wasser einen flüssigen Aggregatzustand hat.
Sobald es sich in Dampf verwandelt, verschwindet die Anomalie. Derzeit beschäftigen sich viele Wissenschaftler mit der Analyse der Eigenschaften von unterkühltem Wasser. Es liegt in seiner Fähigkeit unterhalb des Kristallisationspunktes von 0°C flüssig zu bleiben.
Es ist durchaus möglich, Wasser in dünnen Kapillaren sowie in einem unpolaren Medium als winzige Tröpfchen zu unterkühlen. Es stellt sich natürlich die Frage, was in einer solchen Situation bei der Dichteanomalie zu beobachten ist. Wenn Wasser unterkühlt wird, nimmt die Dichte von Wasser erheblich ab, es tendiert zur Dichte von Eis, wenn die Temperatur abnimmt.
Gründe für das Erscheinen
Bei der Frage: "Nennen Sie die Wasseranomalien und beschreiben Sie ihre Ursachen", ist es notwendig, sie mit der Umstrukturierung der Struktur in Verbindung zu bringen. Die Anordnung von Partikeln in der Struktur einer Substanz wird durch die Merkmale der gegenseitigen Anordnung von Partikeln (Atome, Ionen, Moleküle) darin bestimmt. Zwischen Wassermolekülen wirken Wasserstoffkräfte, die diese Flüssigkeit aus der Abhängigkeit zwischen Siede- und Schmelzpunkt entfernen,charakteristisch für andere Stoffe, die sich in einem flüssigen Aggregatzustand befinden.
Sie treten aufgrund der Besonderheiten der Elektronendichteverteilung zwischen den Molekülen einer gegebenen anorganischen Verbindung auf. Wasserstoffatome haben eine bestimmte positive Ladung, während Sauerstoffatome eine negative haben. Dadurch hat das Wassermolekül die Form eines regelmäßigen Tetraeders. Eine ähnliche Struktur ist durch einen Bindungswinkel von 109,5° gekennzeichnet. Die günstigste Anordnung ist die Platzierung von Sauerstoff und Wasserstoff in derselben Linie mit unterschiedlichen Ladungen, daher ist die Wasserstoffbrücke durch eine elektrostatische Natur gekennzeichnet.
Also sind die ungewöhnlichen (anomalen) Eigenschaften von Wasser eine Folge der speziellen elektronischen Struktur seines Moleküls.
Erinnerung an Wasser
Es gibt die Meinung, dass Wasser ein Gedächtnis hat, Energie ansammeln und übertragen kann und den Körper mit virtuellen Informationen füttert. Mit diesem Problem beschäftigte sich lange Zeit der japanische Wissenschaftler Masaru Emoto. Dr. Emoto veröffentlichte die Ergebnisse seiner Forschung in dem Buch Messages from Water. Die Wissenschaftler führten Experimente durch, bei denen er zunächst einen Wassertropfen bei 5 Grad einfror und dann die Struktur der Kristalle unter einem Mikroskop analysierte. Um die Ergebnisse festzuh alten, benutzte er ein Mikroskop, in das eine Kamera eingebaut war.
Im Rahmen des Experiments beeinflusste Masau Emoto das Wasser auf verschiedene Weise, fror es dann wieder ein und machte Fotos. Es gelang ihm, die Beziehung zwischen der Form von Eiskristallen und Musik herzustellen,dem das Wasser lauschte. Überraschenderweise nahm der Wissenschaftler die harmonischsten Schneeflocken mit klassischer und Volksmusik auf.
Die Verwendung moderner Musik, so Masau, "verschmutzt" das Wasser, so dass sie fixierte Kristalle von unregelmäßiger Form waren. Eine interessante Tatsache ist die Identifizierung eines Zusammenhangs zwischen der Form von Kristallen und der menschlichen Energie durch einen japanischen Wissenschaftler.
Wasser ist die erstaunlichste Substanz, die in großen Mengen auf unserem Planeten vorkommt. Es ist schwer vorstellbar, dass ein moderner Mensch einen Tätigkeitsbereich hat, an dem er nicht aktiv teilnehmen würde. Die Vielseitigkeit dieser Substanz wird durch Anomalien bestimmt, die durch die tetraedrische Struktur von Wasser verursacht werden.
