Sezione I
PROGETTAZIONE DEL POZZO PER L'ACQUA
Capitolo 1. ALCUNE INFORMAZIONI SULL'ACQUA

Anomalie dell'acqua

Le molecole di triidrolo predominano nella composizione del ghiaccio, le molecole di idrolo predominano nella composizione del vapore acqueo (a temperature superiori a 100 ° C) e nell'acqua liquida goccia - una miscela di idrolo, diidrolo e triidrolo, i cui rapporti cambiano con la temperatura.

Le seguenti anomalie sono dovute alle peculiarità della struttura dell'acqua:

1) l'acqua ha la massima densità a 4 °C, con una diminuzione della temperatura a 0 °C o un aumento a 100 °C, la sua densità diminuisce;

2) il volume dell'acqua durante il congelamento aumenta di circa il 10%, mentre la fase solida diventa più leggera del liquido;

3) l'acqua ha un'elevata capacità termica specifica, che diminuisce all'aumentare della temperatura fino a 40 ° C, per poi aumentare nuovamente;

4) l'acqua ha un'energia interna specifica molto elevata (318,8 J/kg);

5) l'acqua gela a 0 °C, all'aumentare della pressione il punto di congelamento diminuisce e raggiunge il suo valore minimo (-22 °C) alla pressione di 211,5 MPa;

6) l'acqua ha la più alta quantità di calore specifico (2156 J/kg) alla temperatura di 100 °C;

7) l'acqua ha la massima costante dielettrica a 20 °C;

8) l'acqua ha la più alta tensione superficiale rispetto ad altri liquidi.

Quando interagisce con gli alcali, l'acqua si comporta come un acido e quando interagisce con gli acidi si comporta come una base. Durante la reazione di metalli attivi e acqua, viene rilasciato idrogeno. L'acqua provoca il processo di decomposizione di scambio (idrolisi), interagendo con alcuni sali.

7. Anomalie idriche

L'acqua chimicamente pura ha una serie di proprietà che la distinguono nettamente da altri corpi naturali e analoghi chimici (idruri di elementi del sesto gruppo del sistema periodico di Mendeleev) e da altri liquidi. Queste proprietà speciali sono note come anomalie dell'acqua.

Indagando sull'acqua e in particolare sulle sue soluzioni acquose, gli scienziati si sono ripetutamente convinti che l'acqua avesse proprietà anormali - anomale che sono inerenti solo a lei, Sua Maestà - Acqua, che ci ha dato la Vita e la capacità di pensare. Non sospettiamo nemmeno che tali proprietà familiari e naturali dell'acqua in natura, in varie tecnologie e, infine, nella nostra vita quotidiana, siano uniche e irripetibili.

Densità

Per l'intera biosfera, una caratteristica eccezionalmente importante dell'acqua è la sua capacità di aumentare piuttosto che diminuire il proprio volume al congelamento, cioè ridurre la densità. Infatti, durante la transizione di qualsiasi liquido allo stato solido, le molecole sono disposte più vicine tra loro e la sostanza stessa, diminuendo di volume, diventa più densa. Sì, per qualsiasi liquido molto diverso, ma non per l'acqua. L'acqua è un'eccezione qui. Quando si raffredda, l'acqua si comporta dapprima come gli altri liquidi: condensandosi gradualmente, riduce il proprio volume. Questo fenomeno può essere osservato fino a +3,98°C. Quindi, con un'ulteriore diminuzione della temperatura a 0 ° C, tutta l'acqua si congela e si espande di volume. Di conseguenza, il peso specifico del ghiaccio diventa inferiore a quello dell'acqua e il ghiaccio galleggia. Se il ghiaccio non galleggiasse, ma affondasse, tutti i corpi idrici (fiumi, laghi, mari) si congelerebbero sul fondo, l'evaporazione si ridurrebbe drasticamente, tutti gli animali e le piante d'acqua dolce morirebbero. La vita sulla Terra diventerebbe impossibile. L'acqua è l'unico liquido sulla Terra il cui ghiaccio non affonda a causa del fatto che il suo volume è 1/11 in più rispetto al volume dell'acqua.

Tensione superficiale

A causa del fatto che le sfere d'acqua rotonde sono molto elastiche, piove, cade la rugiada. Cos'è questa straordinaria forza che trattiene le gocce di rugiada e rende elastico e relativamente resistente lo strato superficiale d'acqua in qualsiasi pozzanghera?

È noto che se un ago d'acciaio viene posizionato con cura sulla superficie dell'acqua versata in un piattino, l'ago non affonda. Ma il peso specifico del metallo è molto maggiore di quello dell'acqua. Le molecole d'acqua sono legate dalla forza della tensione superficiale, che permette loro di risalire i capillari, vincendo la forza di gravità. Senza questa proprietà dell'acqua, anche la vita sulla Terra sarebbe impossibile.

Capacità termica

Nessuna sostanza al mondo assorbe e cede tanto calore all'ambiente quanto l'acqua. La capacità termica dell'acqua è 10 volte quella dell'acciaio e 30 volte quella del mercurio. L'acqua mantiene calda la terra.

Dalla superficie dei mari, degli oceani e della terraferma evaporano 520.000 chilometri cubi di acqua all'anno che, una volta condensati, emettono molto calore nelle regioni fredde e polari.

L'acqua nel corpo umano è del 70-90%. dal peso corporeo. Se l'acqua non avesse una tale capacità termica come adesso, il metabolismo negli organismi a sangue caldo ea sangue freddo sarebbe impossibile.

L'acqua si riscalda più facilmente e si raffredda più velocemente in una sorta di "pozzetto di temperatura" corrispondente a +37°C, la temperatura del corpo umano.

Ci sono molte altre proprietà anomale dell'acqua:

Nessun liquido assorbe i gas così avidamente come l'acqua. Ma li dà anche facilmente. La pioggia dissolve tutti i gas velenosi dell'atmosfera. L'acqua è il suo potente filtro naturale, purificando l'atmosfera da tutti i gas nocivi e velenosi. Un'altra straordinaria proprietà dell'acqua si manifesta quando viene applicato un campo magnetico. L'acqua sottoposta a trattamento magnetico modifica la solubilità dei sali e la velocità delle reazioni chimiche.

Ma la proprietà più sorprendente dell'acqua è la proprietà di un solvente quasi universale. E se alcune sostanze non si dissolvono in esso, anche questo ha svolto un ruolo enorme nell'evoluzione della vita: molto probabilmente, sono proprio le proprietà idrofobiche delle membrane biologiche primarie che la vita deve il suo aspetto e sviluppo nell'ambiente acquatico.

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Acqua. Proprietà anomale dell'acqua e loro cause

Poiché l'acqua è un solvente universale, considera le proprietà dell'acqua. La sostanza più comune sulla terra è l'acqua ϶ᴛᴏ. Quasi 3/4 della superficie terrestre è ricoperta d'acqua. È l'ambiente in cui avvengono i processi chimici negli organismi viventi e partecipa esso stesso ai processi biochimici.

L'acqua è il principale catalizzatore di tutti i processi vitali. Il nostro corpo è composto per il 65-75% da acqua. Il fabbisogno umano giornaliero di acqua va dai 2 ai 6 litri e la dipendenza da essa è molto più forte che dal cibo. Molti alimenti (verdura, frutta, latte, carne) contengono il 95-65% di acqua. L'umanità utilizza ampiamente l'acqua naturale per i suoi bisogni. La parte principale dell'acqua cade sugli oceani. Le riserve di acqua dolce disponibili per l'uso rappresentano lo 0,15% del volume dell'idrosfera.

Proprietà fisiche. È un liquido incolore e inodore. Considera le caratteristiche delle proprietà fisico-chimiche ( anomalie) acqua.

1. L'acqua ha una polarità anormalmente alta come solvente.

µ \u003d 1,84 10 -29 Klm (per H 2 S - µ \u003d 0,93 10 -29 Klm).

2. L'acqua ha una capacità termica anormalmente elevata c = 75,3 J/mol K, l'alcol ne ha 1,5 volte di più, a questo proposito, di notte e durante il passaggio dall'estate all'inverno, si raffredda lentamente e durante il passaggio inverso si riscalda lentamente, t .O. regolare la temperatura sul globo. Quando qualsiasi sostanza tranne l'acqua viene riscaldata da 0 a 37 ° C, la capacità termica aumenta e per l'acqua diminuisce, quindi aumenta. È a 37 ° C che il corpo consuma meno energia per mantenere la temperatura corporea.

3. Temperatura anormalmente elevata Tmelt = 0 o C e temperatura Tboil = 100 o C rispetto agli analoghi.

4. A 0°C l'acqua gela. La densità del ghiaccio è inferiore a quella dell'acqua. Allo stesso tempo, il volume del ghiaccio aumenta del 9%, mentre per le altre sostanze diminuisce.

5. La densità dell'acqua durante il passaggio dallo stato solido a quello liquido non diminuisce, ma aumenta. Quando l'acqua viene riscaldata da 0 a 4 o C, aumenta anche la sua densità. La densità dell'acqua raggiunge il suo valore massimo a 4 o C - ρ = 0,998 g/cm 3 .

Le anomalie sono associate alla struttura della molecola d'acqua e alla formazione di un legame idrogeno tra di esse.

La molecola d'acqua ha una struttura angolare. L'atomo di ossigeno nella molecola d'acqua è nello stato di sp 3 - ibridazione. Per questo motivo l'angolo di legame è prossimo al tetraedrico (109 o 28").

La formazione di un legame idrogeno porta all'associazione di molecole. Ogni atomo di ossigeno partecipa alla formazione di due legami a idrogeno. Le molecole dopo la cristallizzazione formano strati, ognuno dei quali si lega a tre molecole in quello strato ea una di quelle adiacenti. Questo porta alla formazione di vuoti.

Quando il ghiaccio si scioglie, solo una parte dei legami idrogeno viene distrutta e il volume dell'acqua diminuisce. A 0 o C, l'acqua contiene i resti di una struttura di ghiaccio. Da 0 a 4 o C, la densità dell'acqua aumenta a causa della distruzione del ghiaccio.

L'elevata capacità termica dell'acqua è spiegata dal calore necessario per rompere i legami idrogeno.

Proprietà chimiche. La molecola H 2 O è resistente al calore. A temperature superiori a 1000 ° C, subisce dissociazione termica, ᴛ.ᴇ. decomposizione

H 2 O ↔ 2 H 2 + O 2

Questo processo procede con l'assorbimento del calore.

L'acqua è una sostanza molto reattiva. Gli ossidi di molti metalli e non metalli si combinano con H 2 O per formare:

CaO + H 2 O \u003d Ca (OH) 2

SO 3 + H 2 O \u003d H 2 SO 4

I metalli attivi reagiscono con l'acqua per rilasciare H2.

L'acqua forma composti con sostanze che non hanno attività chimica (xeno idrato - Xe 6 H 2 O). Xe riempie lo spazio intermolecolare nella struttura H 2 O, formando composti chiamati clatrati .

"L'acqua è vita" - conosciamo questa affermazione fin dall'infanzia, ma non sempre attribuiamo importanza a ciò che ci circonda continuamente, senza il quale non possiamo fare.

Sai cos'è "ACQUA"?

“Acqua, non hai sapore, non hai colore, non hai odore, non puoi essere descritta, ti godi senza sapere cosa sei.”

Antoine de Saint-Exupéry.

Innanzitutto, darò alcuni esempi tratti dalla storia in modo che tu capisca che questa domanda non è così semplice!

Secondo le cronache, nel 1472, l'abate Charles Hastings fu catturato e interrogato sul caso di aver portato la malattia a una certa donna rispettata. All'abate imprigionato veniva dato ogni giorno solo un pezzo di pane secco e un mestolo di acqua marcia e puzzolente. Dopo 40 giorni, il carceriere notò che durante questo periodo il monaco Karl non solo non perse, ma sembrava aver guadagnato salute e forza, il che convinse solo gli inquisitori della connessione dell'abate con gli spiriti maligni. Successivamente, sotto grave tortura, Karl Hastings ha confessato di aver letto una preghiera sull'acqua marcia che gli avevano portato, ringraziando il Signore per le prove che gli erano state inviate. Successivamente, l'acqua è diventata morbida nel gusto, fresca e trasparente.

Nella storia ci sono casi di cambiamento della struttura dell'acqua attraverso l'influenza del pensiero. Ad esempio, nell'inverno del 1881, Lara era su un volo da Liverpool a San Francisco. Il terzo giorno di viaggio scoppiò un incendio sulla nave. Tra quelli che hanno lasciato la nave c'era il capitano Neil Carey. Gli afflitti iniziarono a provare i morsi della sete, che aumentavano di ora in ora. Poi, quando, dopo un doloroso vagare per mare, raggiunsero sani e salvi la riva, il capitano, un uomo dall'atteggiamento molto sobrio nei confronti della realtà, descrisse con le seguenti parole cosa li salvò: “Abbiamo sognato acqua fresca. Abbiamo iniziato a immaginare come l'acqua intorno alla barca si trasformi da mare blu in acqua dolce verdastra. Ho raccolto le mie forze e le ho raccolte. Quando l'ho provato, era insipido".

Brevemente sull'acqua in termini di biochimica

L'acqua è la sostanza più abbondante sulla terra. La sua quantità raggiunge le 1018 tonnellate e copre circa i quattro quinti della superficie terrestre. L'acqua copre il 70% della superficie terrestre. La stessa quantità (70%) di esso nel corpo umano. L'embrione è quasi interamente (95%) costituito da acqua, nel corpo di un neonato è il 75%. Solo nella vecchiaia, la quantità di acqua nel corpo umano è del 60% Questo è l'unico composto chimico che esiste in condizioni naturali sotto forma di liquido, solido (ghiaccio) e gas (vapore acqueo). L'acqua svolge un ruolo vitale nell'industria e nella vita di tutti i giorni; è assolutamente necessario per il mantenimento della vita. Delle 1018 tonnellate di acqua sulla Terra, solo il 3% è acqua dolce, di cui l'80% non è disponibile per l'uso, poiché si tratta di ghiaccio che forma le calotte polari. L'acqua dolce è disponibile per l'uomo come risultato della partecipazione al ciclo idrologico, o al ciclo dell'acqua in natura. Ogni anno circa 500.000 km 3 di acqua sono coinvolti nel ciclo dell'acqua a causa della sua evaporazione e precipitazione sotto forma di pioggia o neve. Secondo stime teoriche, la quantità massima di acqua dolce utilizzabile è di circa 40.000 km 3 annui. Stiamo parlando dell'acqua che scorre dalla superficie della terra nei mari e negli oceani.

Le proprietà dell'acqua sono uniche. Liquido trasparente senza odore, sapore e colore (peso molecolare - 18,0160, densità - 1 g / cm 3; un solvente unico, in grado di ossidare quasi tutti i metalli e distruggere le rocce solide). I tentativi di presentare l'acqua come un liquido associato con un denso imballaggio di molecole d'acqua, come palline di un contenitore, non corrispondevano a dati fattuali elementari. In questo caso, il peso specifico dell'acqua non dovrebbe essere di 1 g/cm 3 , ma superiore a 1,8 g/cm 3 .

Le gocce d'acqua sferiche hanno la superficie del volume più piccola (ottimale). La tensione superficiale è di 72,75 dine/cm. La capacità termica specifica dell'acqua è superiore a quella della maggior parte delle sostanze. L'acqua assorbe una grande quantità di calore, mentre si riscalda poco.

La seconda importante prova a favore della particolare struttura della molecola dell'acqua era che, a differenza di altri liquidi, l'acqua - questo era già noto - aveva un forte momento elettrico, che ne costituiva la struttura a dipolo. Pertanto, era impossibile immaginare la presenza di un momento elettrico molto forte della molecola d'acqua nella struttura simmetrica di due atomi di idrogeno rispetto all'atomo di ossigeno, disponendo tutti gli atomi in essa inclusi in una linea retta, ad es. NON.

La struttura dell'acqua in un organismo vivente ricorda per molti versi la struttura del reticolo cristallino del ghiaccio. Ed è questo che spiega ora le proprietà uniche dell'acqua di fusione, che mantiene a lungo la struttura del ghiaccio. L'acqua sciolta è molto più facile del solito per reagire con varie sostanze e il corpo non ha bisogno di spendere energia aggiuntiva per ristrutturare la sua struttura.

In forma liquida, i legami delle molecole d'acqua vicine formano strutture instabili e fugaci. Quando è congelato, ogni molecola di ghiaccio è rigidamente legata ad altre quattro.

Il dottore in scienze biologiche S.V. Zenin ha scoperto ammassi d'acqua stabili e longevi. Si è scoperto che l'acqua è una gerarchia di strutture volumetriche regolari. Si basano su formazioni cristalline costituite da 57 molecole. E questo porta alla comparsa di strutture di ordine superiore sotto forma di esagoni, costituite da 912 molecole d'acqua. Le proprietà dei cluster dipendono dal rapporto tra ossigeno e idrogeno che sporge in superficie. La configurazione reagisce a qualsiasi influenza esterna e impurità. Le forze di attrazione di Coulomb agiscono tra le facce degli elementi del cluster. Questo ci permette di considerare lo stato strutturato dell'acqua come una speciale matrice informativa.

Proprietà irrisolte dell'acqua

L'acqua è sempre stata un grande mistero per la mente umana. Molto di ciò che è incomprensibile per la nostra mente rimane ancora nelle proprietà e nelle azioni dell'acqua. Guardando il flusso d'acqua che scorre o scorre, una persona può alleviare il suo stress nervoso e mentale. Cosa l'ha causato? Per quanto ne sappiamo, l'acqua non contiene sostanze in grado di produrre un tale effetto. Gli scienziati sostengono che l'acqua ha la capacità di ricevere e trasmettere qualsiasi informazione, mantenendola intatta. Il passato, il presente e il futuro si dissolvono nell'acqua. Queste proprietà dell'acqua sono state ampiamente utilizzate e utilizzate nella magia e nella guarigione. Fino ad ora, ci sono ancora guaritori e guaritori popolari che "sussurrano nell'acqua", curando le malattie con questo. L'acqua che scorre prende costantemente l'energia del Cosmo e la dona nella sua forma pura allo spazio vicino alla Terra circostante, dove viene assorbita da tutti gli organismi viventi situati alla portata del flusso, poiché il biocampo formato dall'acqua che scorre è in costante aumento grazie all'energia fornita. Più velocemente si muove il flusso d'acqua, più forte è questo campo. Sotto l'influenza di questa forza, il guscio energetico degli organismi viventi viene allineato, i "guasti" nel guscio del corpo (aura) invisibili all'uomo comune vengono chiusi, il corpo viene guarito.

Proprietà anomale dell'acqua

La prima proprietà anomala dell'acqua è punto di ebollizione e punto di congelamento anomalo: Se acqua - idruro di ossigeno - H 2 O fosse un normale composto monomolecolare, come, ad esempio, i suoi analoghi nel sesto gruppo del sistema periodico di elementi D.I. Mendeleev idruro di zolfo H 2 S, idruro di selenio H 2 Se, idruro di tellurio H 2 Te, quindi allo stato liquido l'acqua esisterebbe nell'intervallo da meno 90 o C a meno 70 o C. Con tali proprietà dell'acqua, la vita sulla Terra non esisterebbe.

I punti di fusione e di ebollizione "anormali" dell'acqua non sono l'unica anomalia dell'acqua. Per l'intera biosfera, è estremamente importante una caratteristica dell'acqua è la sua capacità di aumentare piuttosto che diminuire il suo volume quando gela, cioè ridurre la densità. Questa è la seconda anomalia dell'acqua, che si chiama anomalia di densità. G. Galileo fu il primo a prestare attenzione a questa speciale proprietà dell'acqua. Durante la transizione di qualsiasi liquido (eccetto gallio e bismuto) allo stato solido, le molecole sono disposte più strettamente e la sostanza stessa, diminuendo di volume, diventa più densa. Qualsiasi liquido, ma non acqua. Anche qui l'acqua è un'eccezione. Quando si raffredda, l'acqua si comporta inizialmente come gli altri liquidi: condensandosi gradualmente, riduce il proprio volume. Tale fenomeno può essere osservato fino a +4°С (più precisamente, fino a +3,98°С). È a una temperatura di +3,98°C che l'acqua ha la densità più alta e il volume più piccolo. Un ulteriore raffreddamento dell'acqua porta gradualmente non a una diminuzione, ma ad un aumento di volume. La scorrevolezza di questo processo viene improvvisamente interrotta ea 0°C si verifica un brusco salto nell'aumento di volume di quasi il 10%! In quel momento, l'acqua si trasforma in ghiaccio. La caratteristica unica del comportamento dell'acqua durante il raffreddamento e la formazione del ghiaccio gioca un ruolo estremamente importante nella natura e nella vita. È questa caratteristica dell'acqua che protegge tutti i corpi idrici della terra - fiumi, laghi, mari - dal congelamento continuo in inverno, salvando così vite umane.

A differenza dell'acqua dolce, l'acqua di mare si comporta diversamente quando viene raffreddata. Non gela a 0°C, ma a meno 1,8-2,1°C, a seconda della concentrazione di sali disciolti in esso. Ha una densità massima non a + 4°C, ma a -3,5°C. Pertanto, si trasforma in ghiaccio, senza raggiungere la massima densità. Se la miscelazione verticale nei corpi d'acqua dolce si interrompe quando l'intera massa d'acqua si raffredda a +4°C, allora nell'acqua di mare la circolazione verticale si verifica anche a temperature inferiori a 0°C. Il processo di scambio tra lo strato superiore e quello inferiore è continuo, creando le condizioni favorevoli allo sviluppo degli organismi animali e vegetali.

Tutte le proprietà termodinamiche dell'acqua differiscono in modo marcato o netto da altre sostanze.

Il più importante di loro è anomalia del calore specifico. La capacità termica anormalmente elevata dell'acqua rende i mari e gli oceani un gigantesco regolatore della temperatura del nostro pianeta, per cui non si verificano bruschi cali di temperatura in inverno e in estate, giorno e notte. I continenti situati vicino ai mari e agli oceani hanno un clima mite, dove le cadute di temperatura nei diversi periodi dell'anno sono insignificanti.

Potenti correnti atmosferiche contenenti un'enorme quantità di calore assorbita nel processo di vaporizzazione, le gigantesche correnti oceaniche svolgono un ruolo eccezionale nella creazione del clima sul nostro pianeta.

L'anomalia della capacità termica è la seguente:
Quando una sostanza viene riscaldata, la capacità termica aumenta invariabilmente. Sì, qualsiasi sostanza, ma non acqua. L'acqua è un'eccezione, e qui non perde occasione per essere originale: con un aumento della temperatura, la variazione della capacità termica dell'acqua è anomala; da 0 a 37°C diminuisce e solo da 37 a 100°C la capacità termica aumenta continuamente. A temperature vicine ai 37°C, la capacità termica dell'acqua è minima. Sono queste temperature che sono l'intervallo di temperatura del corpo umano, l'area della nostra vita. La fisica dell'acqua nell'intervallo di temperatura di 35-41°C (i limiti dei possibili processi fisiologici che si verificano normalmente nel corpo umano) stabilisce la probabilità di raggiungere uno stato unico dell'acqua, quando le masse di acqua cristallina e sfusa sono uguali l'uno all'altro e la capacità di una struttura di passare in un'altra è massima. Questa straordinaria proprietà dell'acqua predetermina l'uguale probabilità del decorso delle reazioni biochimiche reversibili e irreversibili nel corpo umano e ne fornisce un "facile controllo".

L'eccezionale capacità dell'acqua di dissolvere qualsiasi sostanza è ben nota. E qui l'acqua mostra anomalie insolite per un liquido, e prima di tutto anomalie della costante dielettrica dell'acqua . Ciò è dovuto al fatto che la sua costante dielettrica (o permittività) è molto grande e ammonta a 81, mentre per altri liquidi non supera 10. Secondo la legge di Coulomb, la forza di interazione di due particelle cariche in acqua sarà 81 volte inferiore rispetto, ad esempio, in aria, dove questa caratteristica è pari a uno. In questo caso, la forza dei legami intramolecolari diminuisce di un fattore 81 e, sotto l'azione del movimento termico, le molecole si dissociano con la formazione di ioni. Va notato che a causa dell'eccezionale capacità di dissolvere altre sostanze, l'acqua non è mai perfettamente pura.

Va menzionata un'altra incredibile anomalia dell'acqua: tensione superficiale eccezionalmente elevata. Di tutti i liquidi conosciuti, solo il mercurio ha una tensione superficiale maggiore. Questa proprietà si manifesta nel fatto che l'acqua tende sempre a ridurne la superficie. Le forze intermolecolari non compensate dello strato esterno (superficiale) dell'acqua, causate da fattori quantomeccanici, creano un film elastico esterno. Grazie al film, molti oggetti, essendo più pesanti dell'acqua, non sono immersi nell'acqua. Se, ad esempio, un ago d'acciaio viene posizionato con cura sulla superficie dell'acqua, l'ago non affonda. Ma il peso specifico dell'acciaio è quasi otto volte quello dell'acqua. Tutti conoscono la forma di una goccia d'acqua. L'elevata tensione superficiale consente all'acqua di essere sferica in caduta libera.

La tensione superficiale e la bagnatura sono alla base delle particolari proprietà dell'acqua e delle soluzioni acquose, chiamate capillarità. La capillarità è di grande importanza per la vita del mondo vegetale e animale, la formazione di strutture di minerali naturali e la fertilità della terra. In canali che sono molte volte più stretti di un capello umano, l'acqua acquisisce proprietà sorprendenti. Diventa più viscoso, si compatta di 1,5 volte e gela a meno 80-70°C.

La ragione della superanomalia dell'acqua capillare sono le interazioni intermolecolari, i cui segreti sono ancora lontani dall'essere svelati.

Scienziati ed esperti conoscono il cosiddetto acqua dei pori . Sotto forma del film più sottile, copre la superficie di pori e microcavità di rocce e minerali della crosta terrestre e altri oggetti di natura animata e inanimata. Associata da forze intermolecolari alla superficie di altri corpi, quest'acqua, come l'acqua capillare, ha una struttura speciale.

Pertanto, le proprietà anomale e specifiche dell'acqua giocano un ruolo chiave nella sua diversa interazione con la natura animata e inanimata. Tutte queste caratteristiche insolite delle proprietà dell'acqua sono così "fortunate" per tutti gli esseri viventi, il che rende l'acqua una base indispensabile per l'esistenza della vita sulla Terra.

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introduzione

L'acqua nella nostra vita è la sostanza più comune e più comune. Tuttavia, da un punto di vista scientifico, questo è il liquido più insolito e misterioso. Forse solo l'elio liquido può competere con esso. Ma le proprietà insolite dell'elio liquido (come la superfluidità) compaiono a temperature molto basse (vicine allo zero assoluto) e sono dovute a specifiche leggi quantistiche. Pertanto, l'elio liquido è una sostanza esotica. L'acqua nella nostra mente è il prototipo di tutti i liquidi, ed è tanto più sorprendente quando la chiamiamo la più insolita. Ma qual è l'insolito dell'acqua? Il fatto è che è difficile nominare una qualsiasi delle sue proprietà che non sia anomala, cioè il suo comportamento (a seconda dei cambiamenti di temperatura, pressione e altri fattori) differisce significativamente da quello della stragrande maggioranza degli altri liquidi, in cui questo comportamento è simile e può essere spiegato dai principi fisici più generali. Tali liquidi ordinari e normali includono, ad esempio, metalli fusi, gas nobili liquefatti (ad eccezione dell'elio), liquidi organici (benzina, che è una miscela di essi o alcoli).L'acqua è di fondamentale importanza nella maggior parte delle reazioni chimiche, in particolare quelli biochimici. L'antica posizione degli alchimisti - "i corpi non funzionano finché non si dissolvono" - è in gran parte vera. L'uomo e gli animali possono sintetizzare l'acqua primaria ("giovanile") nei loro corpi, formarla durante la combustione dei prodotti alimentari e dei tessuti stessi. In un cammello, ad esempio, il grasso contenuto nella gobba può, per ossidazione, dare 40 litri di acqua. La connessione tra acqua e vita è così grande che ha persino permesso a V. I. Vernadsky "di considerare la vita come uno speciale sistema idrico colloidale ... come un regno speciale di acque naturali". L'acqua è una sostanza familiare e insolita. Il noto scienziato accademico sovietico I.V. Petryanov ha definito il suo popolare libro di scienze sull'acqua "La sostanza più straordinaria del mondo". E il dottore in scienze biologiche B.F. Sergeev ha iniziato il suo libro "Entertaining Physiology" con un capitolo sull'acqua - "La sostanza che ha creato il nostro pianeta". Gli scienziati hanno ragione: non esiste sostanza sulla Terra più importante per noi dell'acqua ordinaria, e allo stesso tempo non esiste altra sostanza dello stesso tipo, nelle cui proprietà ci sarebbero tante contraddizioni e anomalie quante nelle sue proprietà.

anomalia di densità

L'anomalia di densità, che consiste nel fatto che la densità del ghiaccio è inferiore a quella dell'acqua liquida, e la densità massima a circa 4 C, sono spiegate dalla struttura interna dell'acqua. Quando il ghiaccio si scioglie, la sua struttura regolare viene disturbata e alcuni dei complessi vengono distrutti. Nell'acqua, insieme ad aree che hanno una struttura simile al reticolo cristallino del ghiaccio, compaiono singole molecole. La violazione della struttura regolare è accompagnata da un aumento della densità e da una diminuzione del volume, poiché singole molecole d'acqua riempiono le cavità che si sono conservate nelle aree con una struttura simile al ghiaccio. All'aumentare della temperatura agiscono due fattori: l'espansione termica e l'interruzione della struttura regolare del ghiaccio. L'espansione termica, accompagnata da un leggero aumento di volume, è associata a una diminuzione dell'ordine della disposizione delle molecole. A 4 C, questi due fattori sono identici in valore assoluto, ma opposti nella direzione di azione. Con un ulteriore aumento della temperatura, l'effetto del secondo fattore diminuisce, l'effetto dell'espansione termica è più pronunciato e la densità dell'acqua diminuisce.

L'anomalia della densità dell'acqua ha un grande impatto sul clima del pianeta, così come sulla vita di animali e piante. Quando l'acqua di fiumi, laghi e mari si raffredda sotto i 4, diventa più leggera e non scende sul fondo, ma rimane in superficie, dove gela. A questa temperatura la vita è possibile. Se la densità del ghiaccio fosse maggiore della densità dell'acqua, quando il ghiaccio si forma andrebbe a fondo e gli oceani si congelerebbero completamente, poiché il calore ricevuto dal Sole durante i periodi caldi non sarebbe sufficiente per scongelarli.

L'anomalia della densità dell'acqua è di grande importanza per la vita delle creature viventi che abitano corpi idrici gelidi. Gli strati superficiali dell'acqua a temperature inferiori a 4 C non affondano sul fondo, poiché diventano più leggeri quando si raffreddano. Pertanto, gli strati superiori dell'acqua possono solidificarsi, mentre la temperatura di 4 °C viene mantenuta nelle profondità dei corpi idrici. In queste condizioni la vita va avanti.

Pertanto, cercano di spiegare l'anomalia della densità con la più alta densità di acqua diidrol.

Cosa spiega l'anomalia nella densità dell'acqua.

Una delle spiegazioni per l'anomalia nella densità dell'acqua è che è attribuita a una tendenza all'associazione delle sue molecole, che formano gruppi diversi [Н2О, (Н2О) 2, (Н2О) 3], il cui volume specifico

è diverso a temperature diverse, anche le concentrazioni di questi gruppi sono diverse, quindi anche il loro volume specifico totale è diverso.

Il primo di questi significa che le anomalie di densità dovute al movimento non creano un flusso di calore attraverso la cresta inferiore. Al limite superiore viene data la densità e sulla riva (x 0) si presume che la componente normale del flusso di calore orizzontale sia zero. Le velocità e e e sulla riva devono svanire a causa delle condizioni di impermeabilità e antiscivolo. L'approssimazione idrostatica, tuttavia, semplifica così tanto la dinamica che la condizione antiscivolo per e; non può essere adempiuto.

Gli alcoli terziari e secondari sono caratterizzati da un'anomalia nella densità del vapore ad alte temperature (determinazione secondo B. Gli alcoli terziari (fino a Cj2) danno solo la metà del peso molecolare al punto di ebollizione del naftalene (218e), a causa della loro decomposizione in acqua e alchileni; gli alcoli secondari (fino a C9 ) presentano la stessa anomalia, ma.

Il segno positivo dell'opera è da attribuire all'anomalia della densità dell'acqua.

Se, come sostiene Grebe, il lavoro di St. Clair Deville ha contribuito, da un lato, alla spiegazione delle anomalie osservate nelle densità del vapore e quindi, anche se indirettamente, ha confermato la teoria di Avogadro, allora, dall'altro,

D'altra parte, questi lavori servirono da stimolo per lo studio dell'affinità chimica, poiché contribuirono a chiarire la natura di certe reazioni.

Per l'acqua, l'equazione (64) fornisce risultati corretti fino a una temperatura di 4, poiché è noto che presenta un'anomalia di densità. A 4, la densità dell'acqua è la più alta; al di sotto di 4, si osserva una complessa distribuzione della densità, che non viene presa in considerazione da questa equazione.

In virtù della (8.3.56), il parametro X è una misura del rapporto (L/LH) 2 e la disuguaglianza (8.3.19 a) significa semplicemente che le anomalie di densità create dalla pressione si mescolano su una scala piccola rispetto a l.

In presenza della stratificazione principale, il curl positivo dello sforzo di taglio e il movimento verticale associato nella regione interna creano un'anomalia di densità positiva in tutta questa regione, a cui si aggiunge l'anomalia di densità dovuta all'afflusso di calore sulla superficie .

Se i legami all'interno dei poliedri sono molto più forti che tra i poliedri, allora solo questi ultimi saranno disordinati nella fusione, così che le unità sotto forma di poliedri esisteranno nella fusione. Alcune anomalie di densità nelle leghe Al-Fe liquide sembrano supportare questa ipotesi.

La formulazione del problema per la stabilità di tale stato fondamentale sarà data per il caso di un flusso zonale nell'atmosfera. Il caso dell'oceano può essere considerato come un caso particolare del problema per l'atmosfera in tutto ciò che concerne la formulazione del problema e si ottiene semplicemente sostituendo il profilo di densità standard ps (z) con un valore di densità costante e sostituendo il valore atmosferico potenziale anomalia della temperatura nell'anomalia della densità dell'oceano presa con un segno meno.

Un aumento della pressione sposta la densità massima dell'acqua verso temperature più basse. Pertanto, a 50 atm, la densità massima si osserva vicino a 0 C. Al di sopra di 2000 atm, l'anomalia della densità dell'acqua scompare.

Pertanto, in un ampio intervallo di temperature, il composto energeticamente più stabile di idrogeno e ossigeno è l'acqua. Forma oceani, mari, ghiaccio, vapore e nebbia sulla Terra, si trova in grandi quantità nell'atmosfera e negli strati rocciosi l'acqua è rappresentata da forme idrate capillari e cristalline. Tale prevalenza e proprietà insolite (anomalia nella densità dell'acqua e del ghiaccio, la polarità delle molecole, la capacità di dissociazione elettrolitica, di formare idrati, soluzioni, ecc.)

rendere l'acqua un agente chimico attivo, in relazione al quale vengono solitamente considerate le proprietà di un gran numero di altri composti.

I liquidi tendono ad espandersi notevolmente quando vengono riscaldati. Per alcune sostanze (ad esempio l'acqua) è presente un'anomalia caratteristica nei valori del coefficiente di dilatazione isobarica. A pressioni più elevate, la densità massima (volume specifico minimo) si sposta verso temperature più basse ea pressioni superiori a 23 MPa, l'anomalia di densità vicino all'acqua scompare.

Questa stima è incoraggiante, poiché Ba è in buon accordo con la profondità del termoclino osservato, che varia da 800 m nelle medie latitudini a 200 m nelle zone tropicali e polari. Poiché la profondità 50 è molto inferiore alla profondità dell'oceano, sembra ragionevole considerare il termoclino come uno strato limite; in accordo con ciò, quando si fissano le condizioni al contorno al limite inferiore, possiamo assumere che la temperatura a profondità maggiori di BO tenda asintoticamente a una qualche distribuzione omogenea orizzontalmente. Poiché la scala r è già uguale a D, è conveniente spostare l'origine in superficie e misurare r dalla superficie dell'oceano. Quindi, a z - - l'anomalia di densità dovrebbe decadere e dovrebbe tendere ad un valore asintotico ancora sconosciuto, così come la velocità verticale creata al limite inferiore dello strato di Ekman non può essere data a priori.

L'UE permanente deve essere determinata dalle condizioni sulla collina. Nello strato idrostatico, a causa dei grandi gradienti di densità creati dal movimento verticale (La S / E), ux è molto maggiore di vj in grandezza. Allo stesso tempo, v deve soddisfare la condizione di non scorrimento come f x 0. Vn è uguale a zero e, di conseguenza, a se stesso. Questa difficoltà è risolta se ricordiamo che nella regione interna il mescolamento verticale di densità controbilancia l'effetto del moto verticale, mentre nello strato idrostatico l'anomalia di densità creata dal moto verticale è bilanciata solo dall'effetto del mescolamento orizzontale. Pertanto, deve esserci una regione intermedia tra la regione interna e lo strato idrostatico in cui la diffusione verticale e orizzontale sono ugualmente importanti. Come mostra la (8.3.20), quest'area ha una scala orizzontale Lff, per cui quella calcolata con questa scala A è uguale a uno.

Come sapete, l'acqua, se riscaldata da una temperatura zero, si contrae, raggiungendo il volume più piccolo e, di conseguenza, la densità più alta a una temperatura di 4 C. I ricercatori dell'Università del Texas hanno proposto una spiegazione che tiene conto non solo dell'interazione di le molecole d'acqua più vicine, ma anche quelle più distanti. In tutte le 10 forme conosciute di ghiaccio e in acqua, l'interazione delle molecole più vicine avviene allo stesso modo. La situazione è diversa con l'interazione di molecole più distanti. Nella fase liquida, nell'intervallo di temperatura in cui c'è un'anomalia di densità, lo stato con una densità maggiore è più stabile. La curva della densità rispetto alla temperatura calcolata dagli scienziati è simile a quella osservata per l'acqua.

L'acqua pura è limpida e incolore. Non ha odore né sapore. Il sapore e l'odore dell'acqua sono dati dalle impurità in essa disciolte. Molte proprietà fisiche e la natura del loro cambiamento nell'acqua pura sono anomale. Questo vale per i punti di fusione e di ebollizione, le entalpie e le entropie di questi processi. Anche la variazione di temperatura della densità dell'acqua è anomala. L'acqua ha una densità massima a 4 C. Al di sopra e al di sotto di questa temperatura, la densità dell'acqua diminuisce. Durante la solidificazione si verifica un'ulteriore brusca diminuzione della densità, per cui il volume del ghiaccio è maggiore del 10% rispetto al volume dell'acqua di uguale massa alla stessa temperatura. Tutte queste anomalie sono spiegate da cambiamenti strutturali nell'acqua associati alla formazione e alla distruzione di legami idrogeno intermolecolari con variazioni di temperatura e transizioni di fase. L'anomalia della densità dell'acqua è di grande importanza per la vita delle creature viventi che abitano corpi idrici gelidi. Gli strati superficiali d'acqua a temperature inferiori a 4 C non affondano sul fondo, perché raffreddandosi diventano più leggeri. Pertanto, gli strati superiori dell'acqua possono solidificarsi, mentre nelle profondità dei serbatoi rimane una temperatura di 4 C. In queste condizioni, la vita continua.

Proprietà dei liquidi. Tensione superficiale

Le molecole di una sostanza allo stato liquido si trovano quasi vicine l'una all'altra. A differenza dei corpi cristallini solidi, in cui le molecole formano strutture ordinate lungo l'intero volume del cristallo e possono eseguire vibrazioni termiche attorno a centri fissi, le molecole liquide hanno una maggiore libertà. Ogni molecola di un liquido, così come in un corpo solido, è "bloccata" su tutti i lati da molecole vicine ed esegue vibrazioni termiche attorno a una certa posizione di equilibrio. Tuttavia, di tanto in tanto qualsiasi molecola può spostarsi in un posto vacante vicino. Tali salti nei liquidi si verificano abbastanza spesso; pertanto le molecole non sono legate a certi centri, come nei cristalli, e possono muoversi per tutto il volume del liquido. Questo spiega la fluidità dei liquidi. A causa della forte interazione tra molecole ravvicinate, possono formare gruppi ordinati locali (instabili) contenenti diverse molecole. Questo fenomeno è chiamato ordine a corto raggio (Fig. 1)

La molecola d'acqua H2O è costituita da un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno situati ad un angolo di 104°. La distanza media tra le molecole di vapore è dieci volte maggiore della distanza media tra le molecole d'acqua. A causa del denso impaccamento delle molecole, la compressibilità dei liquidi, cioè la variazione di volume con una variazione di pressione, è molto piccola; è decine e centinaia di migliaia di volte inferiore rispetto ai gas. Ad esempio, per modificare il volume dell'acqua dell'1%, è necessario aumentare la pressione di circa 200 volte. Un tale aumento di pressione rispetto alla pressione atmosferica si ottiene a una profondità di circa 2 km.

I liquidi, come i solidi, cambiano volume al variare della temperatura. Per intervalli di temperatura non molto ampi, la variazione relativa di volume DV / V0 è proporzionale alla variazione di temperatura DT:

Il coefficiente in è chiamato coefficiente di temperatura dell'espansione volumetrica. Questo coefficiente per i liquidi è dieci volte maggiore che per i solidi. In acqua, ad esempio, a una temperatura di 20 ° C in? 2 10-4 K-1, per acciaio vst? 3.6 10-5 K-1, per vetro al quarzo vkv? 9 10-6 K-1.

ha un'anomalia interessante e importante per la vita sulla Terra. A temperature inferiori a 4°C, l'acqua si espande al diminuire della temperatura (in< 0). Максимум плотности св = 103 кг/м3 вода имеет при температуре 4 °С.

La caratteristica più interessante dei liquidi è la presenza di una superficie libera. Il liquido, a differenza dei gas, non riempie l'intero volume del recipiente in cui viene versato. Si forma un'interfaccia tra il liquido e il gas (o vapore), che si trova in condizioni particolari rispetto al resto della massa del liquido. Le molecole nello strato limite di un liquido, a differenza delle molecole nella sua profondità, non sono circondate da altre molecole dello stesso liquido da tutti i lati. Le forze di interazione intermolecolare che agiscono su una delle molecole all'interno del liquido dalle molecole vicine sono, in media, reciprocamente compensate. Qualsiasi molecola nello strato limite è attratta dalle molecole all'interno del liquido (le forze che agiscono su una data molecola del liquido dalle molecole del gas (o del vapore) possono essere trascurate). Di conseguenza, appare una forza risultante, diretta in profondità nel liquido. Le molecole di superficie vengono attirate nel liquido dalle forze di attrazione intermolecolare. Ma tutte le molecole, comprese quelle dello strato limite, devono essere in uno stato di equilibrio. Questo equilibrio si ottiene a causa di una certa diminuzione della distanza tra le molecole dello strato superficiale e i loro vicini più prossimi all'interno del liquido. Come si può vedere dalla figura. 1, quando la distanza tra le molecole diminuisce, sorgono forze repulsive. Se la distanza media tra le molecole all'interno del liquido è uguale a r0, allora le molecole dello strato superficiale sono un po' più densamente impacchettate, e quindi hanno una riserva aggiuntiva di energia potenziale rispetto alle molecole interne (vedi Fig. 2). Va tenuto presente che, a causa della bassissima comprimibilità, la presenza di uno strato superficiale più densamente impaccato non comporta alcuna variazione apprezzabile del volume del liquido. Se la molecola si sposta dalla superficie nel liquido, le forze dell'interazione intermolecolare svolgeranno un lavoro positivo. Al contrario, per tirare un certo numero di molecole dalla profondità del liquido alla superficie (cioè per aumentare l'area superficiale del liquido), le forze esterne devono svolgere un lavoro positivo DAext proporzionale alla variazione DS della superficie:

Il coefficiente y è chiamato coefficiente di tensione superficiale (y > 0). Pertanto, il coefficiente di tensione superficiale è uguale al lavoro richiesto per aumentare di un'unità l'area superficiale di un liquido a temperatura costante.

In SI, il coefficiente di tensione superficiale è misurato in joule per metro quadrato (J/m2) o in newton per metro (1 N/m = 1 J/m2).

Di conseguenza, le molecole dello strato superficiale del liquido hanno energia potenziale in eccesso rispetto alle molecole all'interno del liquido. L'energia potenziale Er della superficie del liquido è proporzionale alla sua area:

acqua anomalia densità tensione

È noto dalla meccanica che gli stati di equilibrio di un sistema corrispondono al valore minimo della sua energia potenziale. Ne consegue che il pelo libero del liquido tende a ridurne l'area. Per questo una goccia libera di liquido assume una forma sferica. Il fluido si comporta come se le forze agissero tangenzialmente alla sua superficie, riducendo (contrando) questa superficie. Queste forze sono chiamate forze di tensione superficiale.

La presenza di forze di tensione superficiale fa apparire la superficie del liquido come un film elastico stirato, con la sola differenza che le forze elastiche nel film dipendono dalla sua area superficiale (cioè da come il film è deformato), e le forze di tensione superficiale non dipende dalla superficie dei liquidi.

Alcuni liquidi, come l'acqua saponata, hanno la capacità di formare pellicole sottili. Tutte le famose bolle di sapone hanno la forma sferica corretta - questo manifesta anche l'azione delle forze di tensione superficiale. Se nella soluzione saponata viene calata una struttura metallica, di cui uno dei lati è mobile, l'intera superficie risulterà ricoperta da una pellicola di liquido (Fig. 3).

Le forze di tensione superficiale tendono ad accorciare la superficie del film. Per bilanciare il lato mobile del telaio, deve essere applicata una forza esterna.Se, sotto l'azione di una forza, la traversa si sposta su Dx, verrà eseguito il lavoro Davn \u003d FvnDx \u003d DEp \u003d uDS, dove ДS \u003d 2LDx è l'incremento della superficie di entrambi i lati del film di sapone. Poiché i moduli delle forze e sono gli stessi, possiamo scrivere:

Pertanto, il coefficiente di tensione superficiale y può essere definito come il modulo della forza di tensione superficiale che agisce per unità di lunghezza della linea che delimita la superficie.

Conclusione

L'acqua è la sostanza più studiata sulla Terra. Ma non è così. Ad esempio, gli scienziati hanno recentemente scoperto che l'acqua è in grado di trasportare informazioni che vengono cancellate se l'acqua viene prima congelata e poi scongelata. Inoltre, gli scienziati non possono spiegare il fatto che l'acqua sia in grado di percepire la musica. Ad esempio, ascoltando Čajkovskij, Mozart, Bach e poi congelando, si formano cristalli della forma corretta e dopo l'hard rock qualcosa di informe. Lo stesso si osserva confrontando Madre Teresa e Hitler; parole "amore", "speranza" e la parola "sciocco". Inoltre, gli scienziati hanno confrontato l'energia dell'acqua e si è scoperto che l'acqua delle montagne africane è molto più carica dell'acqua del rubinetto e l'acqua in enormi bottiglie, non importa quanto pulita, è morta. Tuttavia, per quanto paradossale possa essere, la combustione è impossibile senza acqua! Dopotutto, l'acqua si trova ovunque e dice molto. Se rimuovi tutta l'acqua dalla benzina, smetterà assolutamente di bruciare. Anche l'acqua stessa è in fiamme! La verità non è così intensa, ma resta comunque il fatto.

Molte persone sanno che l'acqua può formare un composto molto stabile con l'olio, che non è adatto alla lavorazione. Ma gli scienziati russi hanno escogitato un modo per separarli. Per fare ciò, il substrato di petrolio è stato esposto a un campo elettromagnetico per una settimana. E dopo la sua scadenza, è stato diviso in olio e acqua. Ma la cosa più interessante è che la frequenza del campo era uguale alla frequenza delle biocorrenti del cuore.

L'idrosfera è il guscio d'acqua della Terra: 3/4 della superficie del pianeta è ricoperta d'acqua.Il volume totale delle riserve idriche è di 1.400.000.000 di km3, di cui:

97% - acqua salata degli oceani;

2,2% - copre ghiacciai e ghiacciai montani e galleggianti;

Misurazioni geologiche dettagliate hanno dimostrato che nel corso di 80-100 milioni di anni, l'intera terra terrestre viene portata via dal deflusso dell'acqua nell'Oceano Mondiale. La forza motrice di questo processo - il ciclo dell'acqua in natura - è uno dei principali processi planetari.

Sotto l'influenza energia solare L'oceano mondiale evapora circa 1 miliardo di tonnellate di acqua al minuto. Salendo negli strati freddi superiori dell'atmosfera, il vapore acqueo si condensa in microgoccioline, che gradualmente si ingrandiscono e formano le nuvole. La durata media di un cloud è di 8-9 giorni. Per quello

tempo, il vento può spostarlo di 5-10 mila km, quindi una parte significativa delle nuvole è sopra la terraferma.

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