Большинство из нас знают о воде только то, что без нее «ни туды и ни сюды». А ведь она скрывает много загадочного, и многие ее свойства не изучены до сих пор. Посмотрим, что уже удалось узнать ученым.
Сколько состояний у воды?
Из школьной программы мы знаем, что вода – жидкое вещество, которое в зависимости от температуры может быть твердым и газообразным. На самом деле у нее не три состояния, а намного больше: пять — когда это жидкость, 14 – при минусовых температурах. А если вода перенасыщена метаном, она даже может загореться.
Может ли закончиться на планете вода?
Всякая ли вода замерзает при температуре ниже нуля?
Не всякая. Очень чистой воде, избавленной от примесей, температуры чуть ниже нуля будет недостаточно – она по-прежнему останется жидкой. Но и для нее есть свой порог замерзания: просто он ниже, чем у обычной воды.
В какой стране самая чистая вода?
Хотелось бы, конечно, вспомнить наши водные богатства, и в первую очередь – озеро Байкал . Но, увы, одно озеро погоды не сделает, а за чистой водой лучше ехать к нашим соседям – в Финляндию. Именно эта страна, по данным исследования ЮНЕСКО, заняла первое место среди 122 государств мира. Кстати, по этому же исследованию седьмая часть жителей нашей планеты пьет воду, использовать которую опасно для здоровья…
Какая вода быстрее превратится в лед – холодная или горячая?
Как ни странно, вторая, хотя перед тем как замерзнуть, ей нужно полностью остынуть. Это свойство воды причисляется к удивительным фактам: почему так происходит, ученые до сих пор не объяснили. Возможно, за доказательство этого феномена когда-нибудь будут давать Нобелевскую премию, как за нашумевшую теорему Пуанкаре…
А что будет, если «переохладить» воду?
С тем, что при температуре немногим ниже нуля становится льдом, при экстремальных минусовых температурах начинаются удивительные метаморфозы. Заморозив воду до -120°, ученые с удивлением обнаружили, что она стала вязкой. Еще каких-то 15° ниже нуля – и получилось что-то похожее на стекло.
Вода убивает
Именно «водным» способом распространяются самые опасные для человека болезни. Сегодня подобным образом передается до 2/3 инфекций. По статистике, каждый год умирают около 25 млн. жителей планеты, испивших зараженной воды.
Но без нее нет жизни!
Все живое на нашей планете содержит воду и погибнет, если ее лишится. Животные – это вода на 75%, картофель – на 76%, а арбуз состоит из нее на 96%. В теле человека около 70% воды, но в зависимости от возраста этот показатель меняется. В теле новорожденного ее более 85%, в теле старика – около 50%. Получается, при старении мы теряем воду. А за свою жизнь успеваем выпить около 35 тонн воды!
Вода-диетолог
«Сидеть на хлебе и воде» — значит голодать, но не от хорошей жизни. А ведь люди с избыточным весом действительно могут «сесть на одну воду», исключив из рациона другие напитки, и значительно сбросить вес. По мнению диетологов, это один из самых эффективных способов похудения.
Вода. На нашей планете это одно из главных химических соединений, которое играет важную роль для всего живого. Сейчас изучению свойств воды отдают много времени, сил и денег. Ведь она не перестаёт поражать своими загадками. В данной статье будут приведены некоторые интересные и малоизвестные факты о воде, которые учёные открыли совсем недавно.
Как нас всех учили в школе, вода имеет три состояния, но это не совсем верно. Учёные доказали, что она имеет 5 различных состояний в жидком виде и 14 состояний в «замороженном».
9. Горячую воду превратить в лёд быстрее, чем холодную
Конечно, это странно, но доказанный факт гласит, что горячую воду легче превратить в лёд, чем холодную. Если рассуждать логически, горячей воде, чтобы замёрзнуть, нужно остыть. Но на практике, в лёд быстрее превращается именно горячая вода. Почему так происходит? До сих пор, этот вопрос остаётся нерешённым. Есть предположение, что причина в разнице переохлаждений, испарений при образовании льда, конвекции, либо причина в воздействии разжиженных газов на горячую и холодную воду.
8. Вода не замерзает при нулевой температуре
Все знают, что обычная вода замерзает при нуле градусов по Цельсию. Но ещё существует такое понятие, как «сверхчистая» вода, которая не имеет никаких примесей. Это вода остаётся жидкой и при температурах ниже нуля, замерзает она лишь примерно при -10–11°С.
7. Вода как стекло
Если чистую воду, которая замёрзла продолжать остужать до температуры минус 120° по Цельсию, то её структура, превращается из кристаллической в аморфную. При такой температуре вода стает тягучей и вязкой. А если довести её, до минус 135°С, она становиться как стекло.
6. В морской воде много белка
Как оказалась морская вода весьма питательная: в 1 кубическом метре морской воды содержатся примерно 1,5 кг белка и других веществ. Учёные подсчитали, что только один Атлантический океан по питательности можно сравнить с 20 тысячами собранных урожаев, которые выращиваются за год на суше.
Это не та «огненная» вода, о которой вы подумали (водка или спирт). Здесь речь идёт о самой настоящей воде, которая горит (если к ней поднести спичку, то она воспламениться). Такая вода есть в одном из источников Азербайджана, в которой содержится большая концентрация метана.
4. Где больше всего пресной воды?
Больше всего пресной воды сосредоточено в ледниках. Из всего количества больше всего её находиться… нет не в Мировом океане, а в земной мантии (больше чем в океане в 10–12 раз!). Интересно, что пресная вода составляет лишь 3% от всего мирового запаса. Однако и эта часть малодоступна людям - ведь основная её доля - в ледниках.
3. Вода и здоровье
Конечно, вода является не только источником здоровья, но и источником болезней, так как она хорошо растворяет в себе ядовитые вещества и является переносчиком болезнетворных бактерий. Стоит отметить, что 85% всех болезней передаётся через воду. От этих заболеваний в мире умирает 25 тысяч человек в год.
1. Где самая чистая вода?
По данным всемирной организации ЮНЕСКО, самая чистая вода находится в Финляндии. К этому выводу учёные пришли после исследований, которые проводились в 122 странах. Но к сожалению сейчас порядка 1 млрд людей в мире не имеют доступа к чистой воде.
В старой доброй формуле H 2 O, казалось бы, не заключено никаких тайн. Но на самом деле вода - источник жизни и самая известная жидкость в мире - таит в себе множество загадок, которые порой не под силу разгадать даже ученым.
Перед вами 5 наиболее интересных фактов о воде :
1. Горячая вода замерзает быстрее холодной
Возьмем две емкости с водой: в одну нальем горячую, а в другую - холодную воду, и поместим их в морозильную камеру. Горячая вода замерзнет быстрее холодной, хотя по логике вещей, первой должна была превратиться в лед холодная вода: ведь горячей воде надо сначала остыть до температуры холодной, а потом уже превращаться в лед, в то время как холодной воде остывать не надо. Почему же так происходит?
В 1963 году, Эрасто Б. Мпемба (Erasto B. Mpemba), ученик старших классов средней школы в Танзании, замораживая приготовленную смесь для мороженого заметил, что горячая смесь застывает в морозильной камере быстрее, чем холодная. Когда юноша поделился своим открытием с учителем физики, тот лишь посмеялся над ним. К счастью, ученик оказался настойчивым и убедил учителя провести эксперимент, который и подтвердил его открытие: в определенных условиях горячая вода действительно замерзает быстрее холодной.
Теперь этот феномен горячей воды, замерзающей быстрее холодной, носит название "эффект Мпемба". Правда, за долго до него это уникальное свойство воды было отмечено Аристотелем, Фрэнсисом Бэконом и Рене Декартом.
Ученые так до конца и не понимают природу этого явления, объясняя его либо разницей в переохлаждении, испарении, образовании льда, конвекции, либо воздействием разжиженных газов на горячую и холодную воду.
Примечание от Х.RU к теме "Горячая вода замерзает быстрее холодной".
Так как вопросы охлаждения, нам, холодильщикам, более близки, то позволим себе несколько углубиться в суть данной проблемы и приведем два мнения о природе столь загадочного явления.
1. Ученый из Вашингтонского университета предложил объяснение загадочного явления, известного еще со времен Аристотеля: почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.
Явление, получившее название эффекта Мпембы широко применяется на практике. Например, специалисты советуют автомобилистам заливать зимой в бачок омывателя холодную, а не горячую воду. Но что лежит в основе этого явления, долгое время оставалось неизвестным.
Д-р Джонатан Катц (Jonathan Katz) из Вашингтонского университета исследовал это явление и пришел к выводу, что важную роль в нем играют растворенные в воде вещества, которые при нагревании осаждаются, сообщает EurekAlert.
Под растворенными веществами д-р Катц подразумевает бикарбонаты кальция и магния, которые содержатся в жесткой воде. Когда воду нагревают, эти вещества осаждаются, образуя накипь на стенках чайника. Вода, которая никогда не нагревалась, содержит эти примеси. По мере ее замерзания и образования кристаллов льда концентрация примесей в воде увеличивается в 50 раз. Из-за этого понижается точка замерзания воды. "И теперь вода должна еще остывать, чтобы замерзнуть", - поясняет д-р Катц.
Существует вторая причина, препятствующая замерзанию не нагревавшейся воды. Понижение точки замерзания воды уменьшает разницу температур между твердой и жидкой фазами. "Поскольку скорость, с которой вода теряет тепло, зависит от этой разницы температур, вода, которая не подвергалась нагреванию, хуже остывает", - комментирует д-р Катц.
По мнению ученого, его теория может быть проверена экспериментально, т.к. эффект Мпембы становится более заметным для более жесткой воды .
2. Кислород плюс водород плюс холод порождают лед. На первый взгляд, это прозрачное вещество кажется очень простым. В действительности же, лед таит в себе множество загадок. Лед, сотворенный африканцем Эрасто Мпемба не помышлял о славе. Стояли жаркие дни. Ему хотелось фруктового льда. Он брал упаковку сока и клал ее в морозильник. Он проделывал это не раз и потому заметил, что особенно быстро сок замерзает, если перед этим подержать его на солнцепеке - прямо-таки накалить! Странно это, думал танзанийский школьник, поступавший наперекор житейской мудрости. Неужели, чтобы жидкость быстрее превратилась в лед, ее надо предварительно... нагреть? Юноша был так удивлен, что поделился своей догадкой с учителем. Тот сообщил об этом курьезе в печати.
Эта история случилась еще в шестидесятые годы прошлого века. Теперь "эффект Мпембы" хорошо известен ученым. Но долгое время этот как будто простой феномен оставался загадкой. Почему же горячая вода замерзает быстрее холодной?
Лишь в 1996 году физик Дэвид Ауэрбах нашел решение. Чтобы ответить на этот вопрос, он целый год проводил эксперимент: подогревал воду в стакане и вновь охлаждал ее. Итак, что же он выяснил? При нагревании пузырьки воздуха, растворенные в воде, улетучиваются. Вода, лишенная газов, легче намерзает на стенки сосуда. "Конечно, вода с высоким содержанием воздуха тоже замерзнет, - говорит Ауэрбах, - но не при нуле градусов Цельсия, а лишь при минус четырех-шести градусах". Понятное дело, ждать придется дольше. Итак, горячая вода замерзает раньше холодной, это научный факт.
Едва ли найдется вещество, которое возникало бы на наших глазах с такой же легкостью, как лед. Он состоит лишь из молекул воды - то есть элементарных молекул, содержащих два атома водорода и один - кислорода. Тем не менее, лед, возможно, самое загадочное вещество во Вселенной. Некоторые его свойства ученые так и не сумели пока объяснить .
2. Сверхохлаждение и "мгновенное" замерзание
Все знают, что вода всегда превращается в лед при охлаждении до 0 °C... за исключением некоторых случаев! Таким случаем, например, является "сверхохлаждение", которое представляет собой свойство очень чистой воды оставаться жидкой, даже будучи охлажденной до температуры ниже точки замерзания. Это явление становится возможным благодаря тому, что окружающая среда не содержит центров или ядер кристаллизации, которые могли бы спровоцировать образование кристаллов льда. И поэтому вода остается в жидкой форме, даже будучи охлажденной до температуры ниже нуля градусов по Цельсию. Процесс кристаллизации может быть спровоцирован, например, пузырьками газа, примесями (загрязнениями), неровной поверхностью емкости. Без них вода будет оставаться в жидком состоянии. Когда процесс кристаллизации запускается, можно наблюдать, как сверхохлажденная вода моментально превращается в лед.
Посмотрите видеоролик (2 901 Kб, 60 c) от Phil Medina (www.mrsciguy.com) и убедитесь сами >>
Замечание. Сверхнагретая вода также остается жидкой, даже будучи нагретой до температуры выше точки закипания.
3. "Стеклянная" вода
Быстро и не задумываясь, назовите, сколько различных состояний есть у воды?
Если вы ответили три (твердое, жидкое, газообразное), то вы ошиблись. Ученые выделяют как минимум 5 различных состояний воды в жидком виде и 14 состояний льда.
Помните разговор про сверхохлажденную воду? Так вот, что бы вы ни делали, при температуре -38 °C даже самая чистая сверхохлажденная вода внезапно превращается в лед. Что же происходит при дальнейшем понижении
температуры? При -120 °C с водой начинает происходить что-то странное: она становится сверхвязкой или тягучей, как патока, а при температуре ниже -135 °C - превращается в "стеклянную" или "стекловидную" воду - твердое вещество, в котором отсутствует кристаллическая структура.
4. Квантовые свойства воды
На молекулярном уровне вода ещё больше удивляет. В 1995 году проводимый учеными эксперимент по рассеянию нейтронов дал неожиданный результат: физики обнаружили, что нейтроны, направленные на молекулы воды, "видят" на 25% меньше протонов водорода, чем ожидалось.
Оказалось, что на скорости одной аттосекунды (10 -18 секунд) имеет место необычный квантовый эффект, и химическая формула воды вместо привычной - H 2 O, становится H 1,5 O!
5. Есть ли у воды память?
Гомеопатия, альтернативная официальной медицине, утверждает, что разбавленный раствор лекарственного препарата может оказывать лечебный эффект на организм, даже если коэффициент разбавления настолько велик, что в растворе уже не осталось ничего, кроме молекул воды. Сторонники гомеопатии объясняют этот парадокс концепцией под названием "память воды", согласно которой вода на молекулярном уровне обладает "памятью" о веществе, некогда в ней растворенном и сохраняет свойства раствора первоначальной концентрации после того, как в нём не остается ни одной молекулы ингредиента.
Международная группа ученых во главе с профессором Мэдлин Эннис (Madeleine Ennis) из Королевского университета в Белфасте (Queen"s University of Belfast), критиковавшая принципы гомеопатии, в 2002 году провела эксперимент, чтобы раз и навсегда опровергнуть эту концепцию. Результат оказался обратным. После чего, ученые заявили, что им удалось доказать реальность эффекта "памяти воды". Однако опыты, проведенные под наблюдением независимых экспертов, результатов не принесли. Споры о существовании феномена "памяти воды" продолжаются.
Вода обладает множеством других необычных свойств, о которых мы не рассказали в данной статье.
Литература.
1. 5 Really Weird Things About Water / http://www.neatorama.com.
2. Тайна воды: создана теория эффекта Аристотеля-Мпембы / http://www.o8ode.ru.
3. Непомнящий Н.Н. Тайны неживой природы. Самое загадочное вещество во вселенной / http://www.bibliotekar.ru.
Многими исследователями выдвигались и выдвигаются свои версии относительно того, почему горячая вода замерзает быстрее холодной. Казалось бы, парадокс – ведь для того, чтобы замёрзнуть, горячей воде для начала нужно остыть. Однако факт остаётся фактом, и учёные объясняют его по-разному.
Основные версии
На данный момент существуют несколько версий, которые объясняют данный факт:
- Поскольку испарение в горячей воде происходит быстрее, её объем уменьшается. А замерзание меньшого количества воды той же температуры происходит быстрее.
- Морозильная камера холодильника имеет снеговую прокладку. Контейнер, в котором содержится горячая вода, растапливает снег под собой. При этом улучшается тепловой контакт с морозилкой.
- Замерзание холодной воды, в отличие от горячей, начинается сверху. При этом конвекция и теплоизлучение, а, следовательно, тепловая убыль ухудшаются.
- В холодной воде имеются центры кристаллизации – растворенные в ней вещества. При небольшом их содержании в воде заледенение затруднено, хотя в то же время возможно её переохлаждение – когда при минусовой температуре она имеет жидкое состояние.
Хотя справедливости ради можно сказать, что данный эффект наблюдается не всегда. Очень часто замерзание холодной воды происходит быстрее, чем горячей.
При какой температуре вода замерзает
Почему вообще происходит замерзание воды? В её составе содержится определённое количество минеральных либо органических частиц. Это, например, могут быть очень мелкие частицы песка, пыли или глины. При снижении температуры воздуха эти частицы являются центрами, вокруг которых образовываются ледяные кристаллы.
Роль ядер кристаллизации могут также выполнять пузырьки воздуха и трещины в ёмкости, где содержится вода. На скорость процесса превращения воды в лёд во многом влияет количество таких центров – если их много, жидкость замерзает быстрее. При обычных условиях, с нормальным атмосферным давлением, вода переходит в твердое состояние из жидкого при температуре 0 градусов.
Суть эффекта Мпембы
Под эффектом Мпембы понимают парадокс, суть которого в том, что при определённых обстоятельствах горячая вода замерзает быстрее холодной. Этот феномен был замечен ещё Аристотелем и Декартом. Тем не менее только в 1963 году школьник из Танзании Эрасто Мпемба определил, что горячее мороженое замерзает за более короткое время, чем холодное. Такой вывод он сделал, выполняя задание по поварскому делу.
Он должен был растворить в закипевшем молоке сахар и, охладив его, поместить для замерзания в холодильник. Судя по всему, Мпемба особым усердием не отличался и первую часть задания начал выполнять с опозданием. Поэтому он не стал дожидаться остывания молока, и определил его в холодильник горячим. Он очень сильно удивился, когда оно замерзло ещё быстрее, чем у его одноклассников, которые выполняли работу в соответствии с заданной технологией.
Этот факт очень заинтересовал юношу, и он начал эксперименты с простой водой. В 1969 году журнал Physics Education опубликовал результаты исследований Мпембы и профессора Денниса Осборна из университета в Дар-Эс-Саламе. Описанному ими эффекту дали имя Мпембы. Однако и сегодня феномену нет чёткого объяснения. Все учёные сходятся во мнении, что основная роль принадлежит в этом отличиям свойств охлаждённой и горячей воды, однако каким именно – неизвестно.
Сингапурская версия
Физиков одного из сингапурских университетов также заинтересовал вопрос, какая вода быстрее замерзает – горячая или холодная? Команда исследователей под руководством Си Чзана объяснила этот парадокс именно свойствами воды. Всем ещё со школьной скамьи известен состав воды – атом кислорода и два водородных атома. Кислород в некоторой мере оттягивает от водорода электроны, поэтому молекула являет собой определенного рода «магнит».
В итоге определённые молекулы в воде немного притягиваются между собой и объединяются связью водорода. Её прочность во много раз ниже ковалентной связи. Сингапурские исследователи считают, что объяснение парадокса Мпембы как раз в водородных связях. Если молекулы воды размещены между собой очень плотно, то такое сильное взаимодействие между молекулами способно деформировать ковалентную связь в середине самой молекулы.
А вот при нагревании воды связанные молекулы слегка удаляются друг от друга. В результате в середине молекул происходит релаксация ковалентных связей с отдачей лишней энергии и переходом на низший энергетический уровень. Это приводит к тому, что горячая вода начинает ускоренно охлаждаться. По крайней мере, так показывают теоретические расчеты, которые провели сингапурские учёные.
Моментальная заморозка воды – 5 невероятных трюков: Видео
В 1963 году один из учеников школы в Танзании по имени Эрасто Мпемба заметил, что если взять две емкости с одинаковым количеством молока, в одной из которых молоко будет комнатной температуры, а в другой – горячим, то горячее молоко застынет в морозилке гораздо быстрее, чем холодное. Тогда он провел тот же эксперимент с водой, и получил точно такой же результат. Учитель физики, к которому Мпемба обратился за разъяснениями, лишь посмеялся в ответ.
Но пытливый ум не давал Мпембе покоя, и этот вопрос он задал профессору Деннису Осборну, приглашенному из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе для чтения лекции по физике. Осборну вопрос показался интересным, и в 1969 году он совместно со своим учеником опубликовали статью о результатах своих экспериментов в журнале «Physics Education». С момента публикации этот эффект стали называть эффектом Мпембы.
На самом деле, этот эффект известен с давних времен: Аристотель, Ф.Бэкон, Р.Декарт интересовались им.
Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон сформулировал И.Ньютон, и с того времени он много раз подтверждался на практике. А в данном случае кипящая вода, нагретая до 100 град. С охлаждается до 0 град С быстрее, чем такое же количество воды с температурой, например, 35 град. С, хотя во время охлаждения, кипящая вода должна пройти “порог” в 35 град С.
Вот некоторые из предположений, которые выдвигают ученые:
- Горячая вода во время охлаждения активно испаряется, при этом ее объем уменьшается, соответственно, меньший объем воды охлаждается быстрее. К тому же, из-за испарения, температура воды снижается быстрее.
- Разница температур между горячей водой и воздухом больше, а значит, теплообмен происходит с большей интенсивностью, это приводит к тому, что горячая вода застывает быстрее.
- На поверхности холодной воды образуется слой льда, который не только препятствует испарению воды, но и выступает своеобразной “подушкой”, защищающей основную массу воды от охлаждения. А горячая вода не имеет льда на поверхности, поэтому процесс испарения и охлаждения продолжается дольше, потери тепла происходят быстрее, и в результате горячая вода превращается в лед раньше.
- В горячей воде водородные связи натягиваются сильнее, чем в холодной. Поскольку в водородных связях горячей воды хранится больше энергии, значит, её высвобождается больше при охлаждении до минусовых температур. Это и объясняет, почему горячая вода застывает быстрее.
Водородные связи O:H-O в кристалле льда