Физические аномалии воды как физического тела

При­родные воды всегда представляют газовые или минераль­ные растворы. Почти никогда не удается встретить такую природную воду, в которой не были бы растворены какие-либо органические, минеральные вещества или газы. Даже дождевая вода, которая представляет собой воду дистилли­рованную, на пути из облаков до поверхности земли погло­щает взвешенную в воздухе пыль и газы воздуха и таким образом становится минерализованной и газированной. И не только жидкая вода минерализуется таким образом. Снег также способен поглощать из воздуха пыль и газы. Как много веществ может поглотить снег, показывает следующий факт. В Лондоне 29 декабря 1909 г. и 28 фев­раля 1910 г. был собран снег, выпавший на крышу одного здания, и проанализирован. Оказалось, что снег, собран­ный 29 декабря (будничный день) содержал в 1 л воды 422 мг взвешенных и растворенных частиц, а снег, соб­ранный 28 февраля (воскресный день), содержал 93 мг/л. Такое различное содержание примесей в снеге объясняется тем, что в воскресный день не работали многочисленные фабрики и заводы и в воздухе было меньше копоти и дыма.

Результаты анализа воскресного дня были пересчитаны на площадь всего Лондона. Оказалось, что снег увлек с собой около 75 т растворенных веществ и 142 т взве­шенных, в том числе 25 т поваренной соли, 1 т аммония и 100 т каменного угля.

Анализы снега, собиравшегося во дворах различных промышленных предприятий, обнаружили в нем различные примеси, в зависимости от характера производства. В одних случаях были найдены значительные количества хлористого аммония, в других — серной кислоты и т. д.

Следовательно, даже только что выпавший дождь или снег не представляет идеально чистой воды. Естественно, что количество взвешенных и растворенных в дождевой и снеговой воде веществ будет не всюду одинаково. Если мы проделаем анализ снега, выпавшего зимой в какой-нибудь безлюдной местности, например, в тайге, то он конеч­но, будет более чистым, чем снег какого-нибудь крупного промышленного центра.

Химически чистая вода обладает следующими харак­теристиками:

1. Чистая вода лишена вкуса и запаха, прозрачна и в толстом слое имеет голубоватый оттенок.
2. Наибольшей плотностью вода обладает при +4° С, при повышении или понижении температуры от указанной величины плотность воды уменьшается, а объем соответ­ственно увеличивается.
3. При замерзании (0°С) вода скачком расширяется в объеме, плотность льда при этой температуре равна 0,91, а удельный объем = 1,1. Этим объясняется характер промерзания водоемов — от поверхности, а не со дна.
4. Температура замерзания воды понижается примерно на 1° С с увеличением давления на каждые 130 атм. Имен­но поэтому вода находится в жидком состоянии на боль­ших глубинах океанов, где температура до —3° С.
5. Теплоемкость воды падает от 0 до +27° С, а далее повышается. Из всех природных тел вода обладает наи­большей теплоемкостью. Теплоемкость льда вдвое ниже, чем воды, а теплоемкость насыщенного водяного пара отрицательная.
6. Теплота плавления воды необыкновенно высока, она равна 80 кал (вода при 0° С и лед при 0° С отличаются друг от друга по содержанию скрытой энергии на 80 кал), а теп­лота парообразования — 536 кал (при 100° С).
7. Необыкновенно высока диэлектрическая постоян­ная воды —87,7.
8. Коэффициент преломления воды 1,39 (вместо теоре­тически исчисляемого 9).

Наличие в воде растворенных веществ понижает темпе­ратуру ее замерзания. Повышение или понижение баро­метрического давления также соответственно повышает или понижает температуру кипения воды. Так, при 760 мм барометрического давления температура кипения воды равна 100°C; при понижении давления, например, в горах температура кипения воды сильно падает. Это свойство воды используется при определении высот (гипсотермо­метрия).

Как уже указывалось выше, вода может переходить в парообразное состояние при любой температуре, даже ниже нуля, т. е. испаряться может не только жидкая
вода, но и снег и лед. Различие заключается в том, что при температуре ниже 100° С вода испаряется только в том случае, если окружающий воду воздух не насыщен парами, т. е. если относительная влажность воздуха меньше 100%. При температуре 100° С (или выше, при большем, чем нормальное, давлении) вода переходит в паро­образное состояние не­зависимо от степени влажности воздуха.

Примеры изменения раство­римости солей при повышении тем­пературы воды

Следует иметь в виду, что и водород и кисло­род имеют свои изотопы; так, кроме одноатомного водорода (протия) суще­ствует еще водород дей­терий двухатомный и водород тритий. Вода, в состав которой входит дейтерий, носит назва­ние «мертвая вода». Она убивает все живое, явля­ется ядом для растений и животных. Количество ее в земных водоемах крайне ничтожно. Удель­ный вес «мертвой», или «тяжелой», воды больше, чем удельный вес обычной. Полагают, что вода с дейте­рием имеется в очень ограниченном количестве только в некоторых наиболее глубоких водоносных пластах. Соединений кислорода с тритием, который обнаружен срав­нительно недавно, еще меньше; они очень мало изучены.

Известны изотопы и кислорода — О¹⁶, О¹⁷, О¹⁸. Некото­рые исследователи выска­зывают мнение, что кислород О¹⁶ свойствен атмосферной воде и воде на поверхности земли в реках и озерах, обра­зующихся за счет атмосферных осадков, а также подземной воде, питаемой атмосферными осадками. О¹⁷ свойствен воде океанов, а О¹⁸ — глубинным водам литосферы. Воз­можно, что именно это непостоянство молекулярного сос­тава воды и является причиной свойственных воде ано­малий, о которых сказано выше.