Вопреки законам физики. Почему вода — это уникальное химическое соединение?

Вопреки законам физики. Почему вода — это уникальное химическое соединение?

9 августа 1776 года родился итальянский химик Амедео Авогадро, впервые записавший химическую формулу воды как Н2O. Учёные и раньше знали о том, что это не химический элемент, а соединение водорода с кислородом в определённой пропорции, а слово «водород», собственно, и означало «порождающий воду». Но дальнейшие исследования показали, что за незатейливой формулой Н2О и структурой молекулы, имеющей симметричную V-образную форму, скрываются уникальные свойства вещества, без которого, как мы знаем, жизнь на Земле была бы невозможной.

АиФ.ru популярно объясняет, в чём же заключаются необычные свойства воды и почему они не подчиняются логике законов физики.

Амедео Авогадро, с рисунка К. Сентье, 1856 год. Фото: Public Domain

Природный аккумулятор тепла

Молекула Н2O — это два небольших атома водорода, присоединённые к крупному атому кислорода и образующие угол 104,45°. Такая структура отличает её от других трёхатомных молекул, где все атомы располагаются цепочкой. Это нестандартное расположение атомов и наделяет воду необычными свойствами, хотя дело не только в нём.

Во-первых, вода имеет аномально высокую теплоёмкость. Скажем, удельная теплоёмкость железа составляет 460, бетона — 880, керосина — 2140, а воды — аж 4200 Дж/(кг·°С)! Это значит, что, если вы захотите нагреть 1 килограмм воды на 1°С, вам придётся затратить значительно больше энергии, чем при аналогичном нагревании других жидкостей, да и не только их. Благодаря этому физическому свойству вода способна аккумулировать, т. е. надолго сохранять, тепло. А поскольку наше тело на две трети состоит из неё, это даёт ему возможность поддерживать температуру на одном уровне всегда — и жарким днём, и прохладной ночью. Высокая теплоёмкость воды защищает организм как от перегрева, так и от быстрого охлаждения. Будь иначе, любая тренировка и нагрузка на мышцы приводили бы к интенсивному разогреву тела и тепловому удару изнутри.

Более того, удельная теплоёмкость воды зависит от температуры, и эта зависимость имеет свой минимум. Он приходится на 37°С. Именно в районе этой отметки внутренние жидкости человека наилучшим образом регулируют процессы теплообмена и позволяют поддерживать комфортное состояние при минимуме энергетических затрат. Иначе говоря, организм находится в оптимальном энергетическом состоянии. Вот почему нормальная температура тела — это 37°С (мы привыкли к 36,6°С, но мы держим градусник под мышкой, а наши внутренние органы всегда имеют более высокую температуру).

Аномально большая теплоёмкость воды полезна не только человеку и животным, но и окружающей среде в целом. Земные водоёмы, в первую очередь Мировой океан, являясь гигантскими аккумуляторами тепла, выступают в роли природных термостатов. То есть поддерживают температуру атмосферы в удобном для нас диапазоне. Летом они защищают планету от перегрева, зимой — от переохлаждения. Именно поэтому климат в прибрежных странах мягче: близость воды предохраняет его от резких перепадов температуры, чего не скажешь о территориях, расположенных в глубине континентов.

Второе тепловое свойство воды — её высокая удельная теплота плавления. Говоря простым языком, чтобы растопить лёд, нужно затратить много энергии. По этой причине снег весной тает медленно — почва успевает впитать в себя влагу и отправить её в реки. Конечно, без паводков не обходится, но если бы снег и лёд таяли быстрее, было бы гораздо хуже. С другой стороны, заморозить воду тоже трудно. Это её качество делает климат на планете в целом достаточно стабильным, хотя в последние десятилетия он и стал более капризным.

«Плавучее одеяло» для подводного мира

О том, что вода при замерзании расширяется, мы знаем с детства. Оставьте на морозе бутылку с водой — она лопнет. Но мало кто задумывается, что благодаря этому свойству воды на Земле и зародилась жизнь.

Большинство веществ при охлаждении и замерзании уменьшаются в объёме, что приводит к увеличению их плотности. А вот вода ведёт себя иначе. Охлаждаясь, она сначала тоже становится плотнее и сжимается, но, достигнув максимальной плотности при 4°С, затем начинает расширяться. В момент замерзания она и вовсе увеличивает объём скачкообразно — более чем на 8%.

Таким образом, замёрзшая вода становится легче жидкой, поэтому лёд держится на поверхности водоёмов, а не опускается на дно. Будь иначе, реки, озёра и моря в зимние месяцы промерзали бы целиком, превращаясь в гигантские глыбы льда. А оставаясь на поверхности, лёд препятствует дальнейшему замерзанию водоёмов, играет роль «плавучего одеяла» и выполняет полезную функцию — защищает от гибели весь подводный мир, всех обитающих в нём существ. Если бы не аномальная способность воды расширяться при замерзании, возникшая на Земле жизнь, скорее всего, погибла бы при первом похолодании.

Ещё вода — хороший растворитель, и за это чудесное свойство мы ей тоже должны сказать спасибо. Ведь благодаря ему в нашем организме протекают жизненно важные процессы: вода с растворёнными в ней компонентами твёрдых веществ становится поставщиком всех необходимых нам микроэлементов. Содержась в нашей крови и лимфе, она разносит питательные вещества по всем тканям и их клеткам.

Вода на Земле постоянно очищает саму себя: замерзая, она вытесняет из кристаллической решётки льда всё лишнее. Поэтому даже на поверхности грязной лужи будут плавать практически прозрачные льдинки. А растаяв, вода вновь начинает растворять в себе почти все твёрдые вещества, с которыми встречается и соприкасается. И это такой же циклический процесс, как её круговорот в природе.

Источник aif.ru