Властивості води

Всі ми постійно стикаємося з водою та використовуємо її у повсякденному житті. Але давайте розберемося, які властивості має ця рідина, і яку воду пити корисно для організму.

Окисно-відновний потенціал води: просто про складне

Ми всі чули про антиоксиданти – речовини, що борються з вільними радикалами та підтримують наше здоров'я. Але чи знаєте ви, що найкращим антиоксидантом є вода з високим відновлювальним потенціалом? Давайте розберемося, що таке ОВП води.

pH води: кислотно-лужний баланс «життя» та «смерті»

Що таке pH води та який його вплив на організм та здоров'я людини? За яким принципом воду відносять до категорії «живої» чи «мертвої»? Розбираємось у цій публікації.

Мінералізація води: поняття, рівні та норми вмісту мінералів у воді

Що означає поняття "мінералізація води"? Як питна вода класифікується за цим показником і який рівень мінералізації вважається нормою?

Жорсткість води та здоров'я людини

Що означає поняття "жорсткість води"? Яка вода вважається жорсткою та які її властивості? Як жорсткість води впливає здоров'я людини? Розбираємось у цій статті.

Чистота води: параметри оцінки та джерела забруднення

Коли ми говоримо «чиста вода», що ми маємо на увазі під цим? Давайте розберемося, за якими параметрами оцінюється цей показник.

Ваше тіло просить води!

А ви знаєте, що величезна кількість хвороб виникає через брак рідини в організмі? Напоїте своє тіло і позбавтеся багатьох недуг.

П'ять стихій: вода

Про незвичайні, а часом і «чарівні» властивості води нам розповідають у школі, в інституті, в електричках і на сайтах, де продають флакони «живої води». Окрім жартів, у найпоширенішої рідини на Землі справді вистачає незвичайних характеристик, щоб їхньому вивченню присвячувалися тисячі наукових праць. У рамках проекту «П'ять стихій», який N+1 здійснює спільно з НДТУ «МІСіС», ми розповімо про те, наскільки рідка стихія піддається приборканню, тобто чи можна за допомогою сучасної фізики вивернути всі незвичайні властивості води навиворіт, як це зробити, а головне – навіщо.

Про головне

Принципове питання: звідки речовина з такою простою формулою (H₂O, як усі пам'ятають) береться такий набір незвичайних, місцями парадоксальних властивостей. Виявляється, що з цієї формули і береться. Молекули води влаштовані просто, але дуже хитро: в них атом кисню знаходиться в середині уявного тетраедра, а дві неподілені електронні пари і два атоми водню розміщені в його вершинах. Така конструкція дозволяє уявити весь обсяг води як масив упорядкованих тетраедрів, причому атоми водню виявляються зручно затиснуті між «власним» киснем та киснем сусіда. Такий додатковий зв'язок між сусідніми молекулами називається водневим, і хоча він на порядок слабший за внутрішньомолекулярний ковалентний зв'язок, у масштабах усієї речовини він є додатковим зв'язуючим фактором.До речі, коли ми сказали «масив упорядкованих тетраедрів», аматори теорій про «структуру» та «пам'ять» води рано зраділи: це впорядкування справді є, але завдяки тепловому руху сітка водневих зв'язків постійно руйнується і створюється заново, таким чином «пам'ятати» вода нічого не може, але їй і не треба.
З наявності водневих зв'язків випливає, мабуть, найголовніша характеристика води - величезна енергія когезії молекул, яка утримує їх разом і відповідає за те, що вода залишається рідкою за кімнатної температури. У найближчих сусідів сірководню (H₂S), аміаку (NH₃), галогеноводородів (HF, HCl та ін.) - водневі зв'язки теж можуть утворитися, але всі ці речовини за кімнатної температури - гази, що ще раз підтверджує незвичайний статус води. Але це далеко ще не все. Ми вибрали п'ять характерних явищ, пов'язаних з водою, які пропонуємо розглянути по порядку.

Когезія: теплоємність

Згадаймо, як на молекулярному рівні визначається агрегатний стан речовини: якщо енергія теплового руху зовсім мала, атоми будуть вибудовуватися в найбільш вигідне просторове положення, як правило — дуже симетричне. Такий стан ми називаємо "твердим". Якщо температуру (а разом з нею і теплову енергію) системи підвищити, атоми і молекули зможуть вирватися з кристалічних ґрат, але їм все ще не вистачатиме спритності, щоб розлетітися далеко один від одного — у цьому випадку речовина буде рідкою. Коли теплової енергії виявиться достатньо, щоб пересилити всі міжмолекулярні взаємодії, молекули розлетяться подалі один від одного, а речовина перетвориться на газ.
Як видно з нашої простої картинки, саме міжмолекулярні взаємодії визначають те, як багато енергії готова ввібрати рідину, перш ніж випаруватися. Цей параметр називається теплоємністю і для води він справді великий: щоб нагріти кілограм води на один градус, потрібно 4200 джоулів - у чотири рази вище, ніж для матеріалів на кшталт дерева, каменю та скла, і в 10 разів вище, ніж теплоємність металів.
Як «перемогти» таку високу теплоємність води? Значних успіхів тут досягти не вдалося, проте метод гранично зрозумілий: раз у всьому винні впорядковані водневі зв'язки, треба їх усунути. Для цього достатньо змусити молекули води структуруватися якось інакше, наприклад, тягнутися атомами кисню до якогось зарядженого об'єкта. З цією роллю непогано справляються білки: у досить концентрованих розчинах вони обліплюються молекулами води, які більше не можуть утворювати водневі зв'язки. Теплоємність у такому разі знижується майже вдвічі і стає такою ж, як у льоду. До речі, про кригу.

Когезія: кристалізація

Як ми вже знаємо, молекули води люблять упорядковуватися, проте за рахунок теплового руху їхня структура виявляється дещо впорядкованою. Охолодження здатне внести лад. «Якщо температуру знизити, водневі зв'язки змусять молекули води практично завмерти у найбільш вдалому положенні.Незвичайним фактом є те, що це для цього положення характерно порівняно велика кількість порожнин між молекулами, тому лід займає на 9 відсотків більший об'єм, ніж та ж маса рідкої води», — пояснює природу цього процесу професор Юрій Миколайович Уткін, доктор хімічних наук, провідний експерт Центру енергоефективності НДТУ «МІСіС». З одного боку, така властивість позитивно позначається на екосистемі: легший лід плаває на поверхні, а водоймища не промерзають до дна. З іншого боку, утворення льоду ставить під загрозу життя багатьох біологічних систем, оскільки вода, що збільшилася в обсязі, може незворотно пошкодити клітини, які вже не зможуть відновитися після розморожування. Через це продукти з морозилки вже не настільки хороші, як у свіжому вигляді – кристали льоду шкодять внутрішній структурі тканин.
Згубний вплив льоду, на щастя, виявилося неважко перемогти. Причому на цьому ґрунті досягли успіху і природні системи, і синтетичні. Перші навчилися створювати спеціальні структури, найчастіше білкові, які називають антифризами. Ці великі молекули хитро пов'язуються із зародками кристалів льоду, перешкоджаючи їх подальшому зростанню. Таким чином, замість великих кристалів з великим об'ємом у системі утворюється кашка з дрібних кристаликів льоду, яка практично не пошкоджує клітину. Живі організми, що використовують білкові антифризи, виживають при температурах до -30 градусів Цельсія, а жуки Upis Ceramboides і зовсім витримують морози до -60 градусів завдяки небілковим антифризам.
У промисловості ж із замерзанням води борються простіше — додаючи в систему так звані кріопротектори, що утворюють водневі зв'язки з водою та перешкоджають її замерзанню. До цих речовин відносяться гліцерин, етанол, поліетиленгліколь та інші. Ці ж агенти використовують і при дослідженні біологічних препаратів, які потрібно заморозити, але зберегти при цьому максимально близькому до «живого» стану вигляді. Нещодавно виявилося, що і барвники можуть служити як кріопротектори. Наприклад, добре відомий сафранін Про за своїми властивостями схожий з білковими антифризами, хоча має значно менший розмір молекул.

Когезія: в'язкість

Продовжуючи спостерігати за незвичайними властивостями, що випливають із сильної когезії молекул води, треба згадати і в'язкість. Цей параметр, властивий будь-яким рідинам і газам, відповідає за те, наскільки сильно шари однієї й тієї ж речовини «труться» один про одного. Якщо точніше, в'язкість визначає інтенсивність обміну імпульсом між молекулами. Сильно в'язкі системи - мед, або кетчуп, наприклад - течуть повільно і неохоче, тоді як речовини з малою в'язкістю - бензин або ацетон - розтікаються швидко і за меншої зовнішньої дії.
Значна в'язкість води є головним винуватцем того, що під водою практично неможливо серйозно розігнатися, а для прокачування рідини трубами потрібні потужні насоси. Найприкріше, що боротися з в'язкістю шляхом усунення водневих зв'язків не виходить: коли молекули води впорядковуються, їхня в'язкість стає ще більшою за рахунок тих же сил, що викликають це впорядкування.Однак проблему в'язкого опору вдалося успішно атакувати не з боку самої води, а з боку тіла, що рухається крізь неї. Для цього згадаємо про адгезію та взаємодію води з іншими тілами.

Адгезія: прилипання

Якщо когезія - це тяжіння молекул води один до одного, то адгезія - це їхнє тяжіння до сторонніх тіл, наприклад, стінок судин. Тут важливо згадати, що вода до всього іншого є полярною рідиною, тобто кожна її молекула є дипольом — частинкою, у якої один кінець заряджений трохи позитивніше, а інший — трохи негативніший. Завдяки такій структурі вода залишається електронейтральною, але її молекули здатні взаємодіяти, наприклад, зі стінками судини. Пояснюється це тим, більшість поверхонь, занурених у полярну рідину, виявляється хоч трохи, але зарядженої.
Адгезія молекул води до стін тягне за собою багато наслідків, один з яких відомий під назвою «гідродинамічна умова прилипання». Воно виявляється у тому, що з течії води вздовж більшості поверхонь найближчий до стінки шар «прилипає», тому швидкість у ньому нульова. За рахунок в'язкості цей шар сильно гальмує наступний і таке інше. У результаті максимальна швидкість спостерігатиметься у центрі труби чи каналу. Здавалося б, нічого страшного в цьому немає, і це правда, поки йдеться про великі труби — водопровідні, наприклад. Якщо ж зібрати пристрій з каналами завтовшки кілька мікрон, то в них в'язкий опір виявиться настільки велике, що звичайні насоси вже не зможуть прокачати воду через тонкі трубки.Така проблема існує у мікрофлюїдиці — розділі науки про мініатюрні пристрої для керування рідинами, бульбашками та краплями на мікромасштабах. Спеціальні мікрофлюїдні прилади чимось схожі на електронні чіпи, тільки в них замість дротів для електрики прокладено безліч каналів для рідини. Така «лабораторія-на-чіпі» дозволяє робити десяток біологічних аналізів у пристрої розміром з наручний годинник.
Очевидно, що мініатюризація в рамках мікрофлюїдики не передбачає наявність величезного насоса для прокачування рідини, тому з в'язким опором води доводиться справлятися. На даний момент існує два основних способи, як це зробити: по-перше, можна усунути прилипання води на стінці, що суттєво збільшить швидкість течії. Для цього використовують поверхню, яка слабо взаємодіє із молекулами води, тобто гідрофобний матеріал. Однак перші ж експерименти показали, що звичайна хімічна гідрофобність дає лише дуже слабкий ефект зниження в'язкого опору. Наступним кроком став винахід супергідрофобних поверхонь, що мають незвичайний рельєф і здатність утримувати в ньому бульбашки повітря. Оскільки на межі "рідина-газ" прилипання відсутня, вода дуже швидко ковзає вздовж таких поверхонь. Ефект особливо помітний у випадку мікроканалів, проте спроби зробити більший пристрій із супергідрофобними стінками (підводний човен, наприклад) поки не увінчалися особливими успіхами.
Другим способом усунення в'язкого опір є відмова від традиційних насосів для прокачування рідини за рахунок перепаду тиску.Натомість можна змусити воду текти під дією електричного поля, правда, для цього необхідно додати в систему електроліт (наприклад сіль), а стінки - зарядити Така течія називається електроосмотичною і характеризується тим, що профіль швидкості рідини надає плоским, без максимуму в центрі каналу. .Це дуже зручно, якщо в системі є вимога до рівномірного прокачування рідини по мікроканалу.

Адгезія: поверхневий натяг

Якщо ми згадали про адгезію води і гідрофобні поверхні, не можна не згадати про змочування і капілярність. тримати марку як «най-най»: завдяки величезній енергії когезії велике і поверхневе натяг, який, наприклад, відповідає за форму дощових крапель і дозволяє водоміркам бігати по воді як по твердій основі. , тобто максимально скоротити її площу. Тому ми не бачимо крапель у формі кубика: куля завжди має меншу площу при тому ж обсязі.
Якщо додати до поверхневого натягу взаємодію з твердими тілами, ми поринемо в багатий світ змочування: тут і ідеально круглі краплі на листку лотоса, і підняття води по тонких капілярах, і просочення пористих тіл (мочалки, наприклад). цими ефектами можна керувати, так як поверхневий натяг виявився одним із найбільш «податливих» властивостей води.Найвідоміший побутовий приклад - додати до води поверхнево-активну речовину, наприклад, мило. У цьому випадку поверхня рідини виявиться стабілізованою, а натяг значно знизиться. Спробуйте видмухати міхур із чистої води — не тут було, а з мильної — будь ласка: велика площа поверхні вже не перешкода. Можна провести інший експеримент: посипати воду меленим перцем та кинути в неї кубик льоду. За рахунок різниці температур виникне перепад поверхневого натягу і перчинки попливуть у бік кубика.
Знову повернемося до гідрофобних та супергідрофобних поверхонь: оскільки вода їх дуже не любить, вона прагне максимально скоротити площу контакту з ними. Якщо краплю води посадити на таку поверхню, ми побачимо майже ідеальну кулю, яка ледве торкається поверхні. Такі кульки дуже легко змусити кататися, тому супергідрофобними поверхнями в основному цікавляться для створення водовідштовхувальних та антизледенювальних покриттів. Природа також давно їх використовує: лист лотоса, ніжка водомірки, шкіра акули — лише деякі приклади. Гідрофобні поверхні виявилися вдалим рішенням і старих побутових проблем: носика, що протікає, заварювального чайника, наприклад. Якщо його зовні покрити гідрофобним матеріалом, заварка завжди буде литися лише у чашку.
Трапляються і зовсім незвичайні ефекти управління поверхневим натягом і змочуванням, наприклад, краплі Ляйденфроста. Вони утворюються, якщо воду накапати на дуже сильно нагріту поверхню: у цьому випадку між краплею води та твердим тілом виникає прошарок пари, тому крапля вільно літає над поверхнею.До речі, аналогічний ефект дуже шкодить промисловим водонагрівачам: якщо їх потужність занадто велика, на поверхні нагрівача утворюється прошарок пари, яка блокує теплообмін і призводить до перегріву пристрою. Як інші приклади незвичайних капілярних явищ можна назвати ефекти, що виникають без гравітації (наприклад на орбіті). Саме ними пояснюються величезні краплі води, які нам показують у відеорепортажах про життя космонавтів: без сили тяжіння поверхневий натяг залишається єдиним фактором, що визначає форму краплі, тому незалежно від обсягу рідина прагне стати кулькою. А на Землі максимальний розмір ідеально круглих крапель — кілька міліметрів. Якщо розмір більший, гравітація надасть краплі форму калюжі.
Ми згадали лише деякі з властивостей води, з якими ми стикаємося у повсякденному та науковому житті. Існують і багато інших особливостей і ефектів - сольватація, діелектрична проникність, осмотичний тиск - які залишилися за кадром. Вода була і залишається одним із найпопулярніших об'єктів для вивчення в сучасній фізичній хімії та матеріалознавстві і чи не головною запорукою існування живих організмів, і кожен із названих ефектів відіграє в цьому свою роль.