2. Полагается ли на Земле воде быть жидкой и твердой?

Вода замерзает при 0 °С и закипает при 100 °С. Аналоги воды по строению и химическому составу – H₂S, H₂Se, H₂Te – при комнатной температуре находятся в газообразном состоянии. Если бы свойства воды подчинялись общей закономерности, то она закипала бы примерно при температуре –70 °С, а лед образовывался бы при –90 °С. Разве возможна жизнь в таком холоде?

Самое удивительное и благостное для живой природы свойство воды - это ее способность при "нормальных" условиях быть жидкостью. Молекулы очень похожих на воду соединений (например, молекулы H₂S или H₂Se) намного тяжелее, а образуют при тех же условиях газ. Тем самым вода как будто противоречит закономерностям таблицы Менделеева, которая, как известно, предсказывает, когда, где и какие свойства веществ будут близки. В нашем случае из таблицы следует, что свойства водородных соединений элементов (называемых гидридами), расположенных в одних и тех же вертикальных столбцах, с ростом массы атомов должны изменяться монотонно. Кислород - элемент шестой группы этой таблицы. В этой же группе находятся сера S (с атомным весом 32), селен Se (с атомным весом 79), теллур Te (с атомным весом 128) и поллоний Po (с атомным весом 209). Следовательно, свойства гидридов этих элементов должны меняться монотонно при переходе от тяжелых элементов к более легким, т.е. в последовательности H₂Po → H₂Te → H₂Se → H₂S → H₂O. Что и происходит, но только с первыми четырьмя гидридами. Например, температуры кипения и плавления растут при увеличении атомного веса элементов

Таблица 1.1 Зависимость температур замерзания и кипения некоторых соединений водорода от молекулярной массы

Как видно, при уменьшении атомного веса температуры снижаются совершенно линейно. Область существования жидкой фазы гидридов становится все более "холодной", и если бы гидрид кислорода Н₂О был нормальным соединением, похожим на своих соседей по шестой группе, то жидкая вода существовала бы в диапазоне от -80° С до -95° С. При более высоких температурах Н₂О всегда была бы газом. К счастью для нас и всего живого на Земле, вода аномальна, она не признает периодической закономерности а следует своим законам.

Объясняется это довольно просто - большая часть молекул воды соединена водородными связями. Именно этими связями отличается вода от жидких гидридов H₂S, H₂Se и H₂Te. Если бы их не было, то вода кипела бы уже при минус 95 °C. Энергия водородных связей достаточно велика, и разорвать их можно лишь при значительно более высокой температуре. Даже в газообразном состоянии большое число молекул H₂O сохраняет свои водородные связи, объединяясь в димеры (H₂O)₂. Полностью водородные связи исчезают только при температуре водяного пара 600 °C.

3. Что должно быть легче – лед или вода?

Известно, что вещества, переходя из жидкого состояния в твердое, уплотняются. Вода не подчиняется этому правилу: лед не тонет, он всегда на поверхности, его объем на 9 % больше объема незамерзшей воды. Способность воды расширяться при замерзании спасает нашу планету от обледенения. Не обладай вода таким загадочным свойством, все водоемы и даже Мировой океан за определенный геологический период промерзли бы до дна. Жизнь на Земле не только не получила бы своего эволюционного развития, она просто бы не возникла на ней.

Аномальные свойства воды: вода при замерзании не уплотняется,а расширяется

Максимальную плотность вода имеет при +4 °С, но при понижении температуры до 0 °С плотность уменьшается. Данная аномалия чрезвычайно важна в природе. При температуре ниже +4 °С остывающая вода занимает верхнюю часть водоема, укрывая, как шубой, нижние слои, защищая их от охлаждения. Для жизни обитателей водоема это создает комфортные условия зимой, а лед обеспечивает второй утепляющий слой. Жизненно важной для всей биосферы является способность воды при замерзании уменьшать, а не увеличивать свою плотность (как это происходит почти со всеми остальными веществами). Висмут в этом отношении ведет себя, как вода, но он является одним из крайне редких исключений из общего правила. Впервые на это необычное свойство воды обратил внимание еще Г. Галилей. В самом деле, при переходе жидкости в твердое состояние молекулы вещества как будто должны располагаться теснее, а само вещество должно становиться, плотнее. Обычно вещества так и ведут себя. Но вода представляет исключение. Если взять обычную воду и, постепенно охлаждая ее, следить за изменением плотности то можно заметить, что в начале будет происходить совершенно обычный и естественный процесс - вода становится при охлаждении все плотнее и плотнее, и никаких отклонений от нормы мы не увидим до тех пор, пока не охладим воду до 4 °C. Ниже этой температуры вопреки общим представлениям вода вдруг становится легче, а замерзая она делается еще легче и образует лед, который плавает по поверхности воды. Замерзая, вода расширяется на 9% по отношению к прежнему объему. Это расширение может оказаться роковым для водопровода в случае наступления неожиданных морозов. Вода, замерзая в трубах, разорвет их.

Именно эта особенность воды, как известно предохраняет от сплошного промерзания в суровые зимы озера и пруды и тем самым спасает жизнь в этих водоемах. Осенний воздух охлаждает поверхностные слои озера, они становятся тяжелее и опускаются на дно. Озеро охлаждается. Но этот процесс идет лишь до тех пор, пока температура воды не достигнет 4 °C. Если теперь поверхностные слои станут еще холоднее, то они уже не опускаются на дно, так как плотность этих слоев меньше плотности глубинной воды, где сохраняется температура 4 °C. Отличия в плотности не велики - эти отличия проявляются лишь в четвертом знаке после запятой, - но этих отличий вполне достаточно, чтобы вода с температурой, близкой к 0 °C не могла проникнуть в глубину озера. Процесс охлаждения поверхностных слоев пойдет теперь быстрее и вскоре свинцовая гладь озера закроется первым хрупким льдом. Лед - плохой проводник тепла, надежно спрячет от страшных зимних морозов жизнь озера. Такой циркуляцией объясняется, почему на более мелких участках озера лед образуется раньше и в последствии он толще.

Разницей в температурах верхних и нижних слоев воды пользуются при работе земснарядов в зимних условиях. При помощи насосов из более глубоко части водоёма накачивают воду в поверхностные слои, чем предупреждают образование льда у работающего агрегата.

А вот морская вода (представляющая собой, как известно, рассол, в каждом литре которого содержится около 35 граммов солей) при охлаждении ведет себя совсем по-иному: наибольшая плотность у нее отмечается при более низких температурах, чем у пресной, а именно при -3,5 °C. Но замерзает морская вода при -1,9 °C, т.е. она превращается в лед не достигая максимальной плотности.

Если при плавлении льда объём полученной жидкости меньше, чем объём взятого льда, то можно сделать предположение, что переход льда в жидкое состояние будет облегчён, если лёд подвергнуть давлению, т.е. сближению кристаллов между собою. В самом деле, если оказать на лёд высокое давление, то температура плавления его понижается. Так, под давлением в 2045 атм (на 1 см²) лёд будет плавиться при температуре -22 °C. Дальнейшее повышение давления уже не снижает температуры плавления, так как образуются новые формы льда с новыми свойствами. Способностью льда таять при более низкой температуре под большим давлением объясняется и то, что у ледников, толщина которых громадна, таяние у основания начинается раньше чем на поверхности.