Знижений вміст дейтерію у воді стимулює життєві процеси. Такі дані отримали Б.І. Родимов і І.П. Торопов. Вони довгий час спостерігали за рослинами і тваринами, які споживають воду, в якій містилося дейтерію на 25% нижче норми. Виявилося, що, споживаючи таку воду, свині, пацюки та миші дали потомство, набагато більш численною і крупніше звичайного, несучість курей піднялася вдвічі, пшениця дозріла раніше і дала більш високий урожай.

Перші результати вивчення важкої води показують, скільки незвичайних властивостей таїть таке звичайне речовина, як вода.

Відкриття важкої води послужило поштовхом до з'ясування фракційного складу води. Незабаром була виявлена ​​надважка вода T2O. У її складі місце водню займає його природний ізотоп, ще більш важкий, ніж дейтерій. Це тритій (T), він радіоактивний, атомна маса його дорівнює 3. Тритій зароджується у високих шарах атмосфери, де йдуть природні ядерні реакції. Він є одним з продуктів бомбардування атомів азоту нейтронами космічного випромінювання. Щохвилини на кожен квадратний сантиметр земної поверхні падають 8 ... 9 атомів тритію.

У невеликих кількостях надважка (тритієва) вода потрапляє на Землю в складі опадів. У всій гідросфері одночасно налічується лише близько 20 кг T2O. Тритієва вода розподілена нерівномірно: в материкових водоймах її більше, ніж в океанах; в полярних океанських водах її більше, ніж в екваторіальних. За своїми властивостями надважка вода ще помітніше відрізняється від звичайної: кипить при 104 ° С, замерзає при 4 ... 9 ° С, має густину 1,33 г/см3. Надважку воду застосовують у термоядерних реакціях. Вона зручніше дейтерієвої, оскільки її краще визначати.

Перелік ізотопів водню не кінчається тритієм. Штучно отримані і більш важкі ізотопи 4H і 5H, теж радіоактивні.

Таким чином, можливе існування молекул води, в яких містяться будь який з п'яти водневих ізотопів в будь-якому поєднанні.

Цим не вичерпується складність ізотопного складу води. Існують також ізотопи кисню. У періодичній системі хімічних елементів Д.І. Менделєєва значиться всім відомий кисень 16O. Існують ще два природних ізотопи кисню — 17O і 18O. У природних водах в середньому на кожні 10 тисяч атомів ізотопу 16O припадає 4 атома ізотопу 17O і 20 атомів ізотопу 18O.

За фізичними властивостями важкокиснева вода менше відрізняється від звичайної, ніж важководнева. Отримують її в основному перегонкою природної води і використовують як джерело препаратів з міченим киснем. Існування п'яти водневих і дев'яти кисневих ізотопів говорить про те, що ізотопних різновидів води може бути 135.

Найбільш поширені в природі 9 стійких різновидів води: Основну масу природної води - понад 99% - складає протиєва вода - 1H216O(знайома нам H2O). Важкокисневих вод набагато менше. І хоча вміст протиєвої води в природі значно перевершує вміст всіх інших разом узятих видів, чистої H2O в природних умовах не існує. У всьому світі таку воду можна відшукати лише в небагатьох спеціальних лабораторіях. Її отримують дуже складним шляхом і зберігають надзвичайно обережно. Ось яке непросте це "найпростіше з'єднання - вода. Надалі, кажучи про воду та називаючи її загальноприйняту формулу H2O, будемо мати на увазі, що склад води, навіть повністю звільнений від мінеральних і органічних домішок, складний і різноманітний. Аномалії фізичних і хімічних властивостей води. Завдяки поверхневому натягу та властивості до змочування, вода може підніматись у вузьких вертикальних каналах на висоту більшу ніж та, яка допускається силою тяжіння, тобто вода має властивість капілярності.

Капілярність відіграє важливу роль у багатьох природних процесах, що відбуваються на Землі. Завдяки цьому вода змочує товщу грунту, що лежить значно вище дзеркала грунтових вод і надає кореням рослин розчини поживних речовин. Капілярністю обумовлюється рух крові і тканинних рідин в живих організмах.

Найвищими виявляються у води саме ті характеристики, які повинні були б бути найнижчими: температури кипіння і замерзання, теплоти пароутворення та плавлення. Щоб випарувати воду, вже нагріту до 100 ° С, потребує вшестеро більше кількості теплоти, чим для нагріву цієї ж маси води на 80 ° С (від 20 до 100 ° С). Питома теплота плавлення льоду більш висока, ніж у багатьох речовин, вона еквівалентна витраті кількості теплоти при нагріванні 1 г води на 80 ° С (від 20 до 100 ° С).

При замерзанні води відповідна кількість теплоти надходить у навколишнє середовище, при таненні льоду - поглинається. Тому крижані маси, на відміну від мас пароподібної води, є свого роду поглиначами тепла в середовищі з плюсовою температурою.

Аномально високі значення питомої теплоти пароутворення води і питомої теплоти плавлення льоду використовуються людиною у виробничій діяльності. Знання природних особливостей цих фізичних характеристик іноді підказує сміливі й ефективні технічні рішення. Так, воду широко застосовують у виробництві як зручний та доступний охолоджувач в самих різноманітних технологічних процесах. Після використання воду можна повернути в природниу водойму і замінити свіжою порцією, а можна знову направити на виробництво, попередньо охолодивши в спеціальних пристроях - градирнях.

На багатьох металургійних виробництвах Донбасу в якості охолоджувача використовують не холодну воду, а кип'яток. Охолодження йде за рахунок використання теплоти пароутворення - ефективність процесу підвищується в кілька разів, до того ж відпадає потреба в спорудженні громіздких градирень. Звичайно, кип'яток-охолоджувач використовують там, де потрібно охолодити об'єкти, нагріті вище 100 ° C. А ось приклад зовсім з іншої області людської діяльності - сільського господарства, садівництва. Коли пізньою весною раптові нічні заморозки загрожують квітучим плодовим деревам, досвідчені садівники знаходять вихід, здається абсолютно несподіваним: вони проводять дощування саду. Пелена найдрібніших водяних бризок огортає дерева, що замерзають. Крапельки води покривають пелюстки квітів. Перетворюючись на лід, вода надягає на квіти крижану шубу, віддаючи при цьому їм своє тепло (335 Дж від; 1 г замерзлої води).

Широке застосування води в якості охолоджувача пояснюється не тільки і не стільки її доступністю і дешевизною. Справжню причину треба теж шукати в її фізичних особливостях. Виявляється, вода має ще одну чудову здатність - високу теплоємність. Поглинаючи величезну кількість теплоти, сама вода суттєво не нагрівається. Питома теплоємність води в п'ять разів вище, ніж у піску, і майже в десять разів вище, ніж у заліза.

Здатність води накопичувати більші запаси теплової енергії дозволяє згладжувати різкі температурні коливання на земній поверхні в різні пори року і в різний час доби. Завдяки цьому вода є основним регулятором теплового режиму нашої планети.

Цікаво, що теплоємність води аномальна не тільки за своїм значенням. Питома теплоємність різна при різних температурах, причому характер температурної зміни питомої теплоємності своєрідний: вона знижується по мірі збільшення температури в інтервалі від 0 до 37 ° С, а при подальшому збільшенні температури - зростає. Мінімальне значення питомої теплоємності води виявлено при температурі 36,79 ° С, а адже це нормальна температура людського тіла! Нормальна температура майже всіх теплокровних живих організмів також знаходиться поблизу цієї точки. Міцніше сталі
Серед незвичайних властивостей води важко обійти увагою ще одну - її виключно високий поверхневий натяг 0,073 Н / м (при 20 ° С). З всіх рідин більш високий поверхневий натяг має тільки ртуть. Вона проявляється в тому, що вода постійно прагне стягнути, скоротити свою поверхню, хоча вона завжди приймає форму ємностіі, в якій знаходиться в даний момент. Вода лише здається безформною, розтікаючись по будь-якій поверхні. Сила поверхневого натягу змушує молекули її зовнішнього шару зчіплюватися, створюючи пружну зовнішню плівку. Властивості плівки також визначаються замкнутими і розімкненими водневими зв'язкамиі. Завдяки плівці деякі предмети, будучи важчими за воду, не занурюються у воду (наприклад, обережно покладена сталева голка). Багато комах (водомірки, ногохвостки та ін) не тільки пересуваються по поверхні води, але злітають з неї і сідають, як на тверду опору. Більш того, живі істоти пристосувалися використовувати навіть внутрішню сторону водної поверхні. Личинки комарів повисають на ній за допомогою незмочуваних щетинок, а маленькі равлики - прудовики і котушки - повзають по ній у пошуках здобичі.

Високий поверхневий натяг дозволяє воді приймати кулясту форму при вільному падінні або в стані невагомості: така геометрична форма має мінімальну для даного об'єму поверхню.
Струмінь хімічно чистої води перетином 1 см2 по міцності на розрив не поступається сталі того ж перетину. Водний струмінь як би цементує сила поверхневого натягу. Поведінка води в капілярах підкоряється і більш складним фізичним закономірностям. . Особливості структурування води в капілярних системах дозволяють з певною підставою говорити про капілярний стан води. У природних умовах цей стан можна спостерігати у так званій поровій воді. У вигляді найтоншої плівки вона вистилає поверхню порожнин, пір, тріщин порід і мінералів земної кори. Розвинені міжмолекулярні контакти з поверхнею твердих тіл, особливості структурної впорядкованості, ймовірно, і є причиною того, що порова вода замерзає при більш низькій температурі, ніж звичайна - вільна - вода. Дослідження показали, що при замерзанні зв'язаної води виявляються не тільки зміни її властивостей, - іншими стають і властивості тих гірських порід, з якими вона безпосередньо контактує. Дивацтва простого льоду
Здавалося б, що може бути звичніше льоду. У середній смузі Євразії, де зима триває кілька місяців, на півночі, де зима триває більшу частину року, та й у південних гірських районах сніг і лід - звичні компоненти ландшафту.

Тим часом незвичайний сам процес утворення льоду. Подивимося, наприклад, як змінюється об’єм води при переході з рідкого стану в твердий, тобто при замерзанні. Ця зміна відбувається зовсім не так, як у інших відомих нам речовин. Всі вони, крім вісмуту і галію, стискаються, скорочують об’єм по мірі охолодження. При затвердінні їх об’єм значно зменшується в порівнянні з такою ж масою розплаву. Їх густина у твердому стані відповідно стає вище, ніж у рідкому.

При замерзанні води все відбувається навпаки - густина льоду зменшується, а об’єм збільшується на 10% у порівнянні з об’ємом, займаним тією ж масою води.



*Залежність відносного об'єму води від температури

 

 

 

Здавна люди знали цю властивість льоду.

 Не вміючи його пояснити, вони, тим не менш, успішно ним користувалися.

Могутні споруди на півночі Європи зводилися з кам'яних монолітів, що важать сотні кілограмів. Щоб виготовити такі блоки, в скелях пробивали порівняно неглибокі пази або вибирали відповідні тріщини. Перед настанням зимових холодів їх заливали водою, і лід, який утворювався, виконував роль вибухівки. Так терпляче, рік за роком, люди дробили найміцніші скелі, отримували будівельний матеріал, використовуючи розширення води при замерзанні.

Тепер наука може пояснити причину цього явища.

 

 

Як видно з рис., зміна об’єму води з пониженням температури йде своєрідно. Спочатку вода веде себе, як і багато інших рідини: потроху ущільнюючи, зменшує свій об’єм. Це спостерігається аж до 4 ° С (точніше - до 3,98 ° С).

 При цій температурі наче б настає криза. Подальше охолодження вже не зменшує, а поступово збільшує об’єм. Плавність різко переривається при 0 ° С, крива переходить в прямовисну пряму, об’єм стрибком зростає майже на 10%. Вода перетворюється на лід.

Завдяки особливості структурного переходу "вода - лід", в інтервалі 3,98 ... 0 ° С природні водойми достатньої глибини звичайно не промерзають до дна.

З настанням зимових холодів верхні шари води, охолоджуються приблизно до +4 ° С і досягнувши максимальної густиниі, опускаються на дно водойми. Ці шари несуть в глибини кисень і допомагають рівномірному розподілу поживних домішок. На їх місце до поверхні піднімаються більш теплі маси води, ущільнюються, остигаючи при контакті з приповерхневим повітрям, і, охолоджуються до +4 ° С, в свою чергу опускаються вглиб. Перемішування триває до тих пір, поки циркуляція не вичерпається і водойма не покриється плаваючим шаром льоду. Лід надійно охороняє глибини від суцільного промерзання - адже його теплопровідність набагато менше, ніж води.

Джерело: за матеріалами статті
Л. А. Кульский, В. В. Даль, Л. Г. Ленчина. „Вода знакомая и загадочная". © Издательство „Радянська школа", 1982
„Наука и техника"