Vanduo yra neįprasta medžiaga, kurią verta išsamiai ištirti. Sovietų akademikas I. V. Petrjanovas parašė knygą apie šią nuostabią medžiagą „Neįprastiausia medžiaga pasaulyje“. Kokios fizinių vandens savybių anomalijos kelia ypatingą susidomėjimą? Kartu ieškosime atsakymo į šį klausimą.
Įdomūs faktai
Retai susimąstome apie žodžio „vanduo“reikšmę. Mūsų planetoje daugiau nei 70% viso ploto užima upės ir ežerai, jūros ir vandenynai, ledkalniai, ledynai, pelkės, sniegas kalnų viršūnėse, taip pat amžinasis įšalas. Nepaisant tokio didžiulio vandens kiekio, galima gerti tik 1 %.
Biologinė reikšmė
Žmogaus kūnas yra 70–80 % vandens. Ši medžiaga užtikrina visų gyvybinių procesų tėkmę, ypač jos dėka iš jos pašalinami toksinai, atkuriamos ląstelės. Pagrindinė vandens funkcija gyvoje ląstelėjeyra struktūrinis ir energetinis, sumažėjus jo kiekybiniam kiekiui žmogaus organizme, jis „susitraukia“.
Gyvame organizme nėra tokios sistemos, kuri galėtų veikti be H2O. Nepaisant vandens anomalijų, tai yra šilumos kiekio, masės, temperatūros, aukščio nustatymo standartas.
Pagrindinės sąvokos
H2O – vandenilio oksidas, kuriame yra 11,19 % vandenilio, 88,81 % deguonies pagal masę. Tai bespalvis skystis, neturintis nei kvapo, nei skonio. Vanduo yra esminė pramonės procesų sudedamoji dalis.
Pirmą kartą šią medžiagą XVIII amžiaus pabaigoje susintetino G. Cavendish. Mokslininkas elektros lanku susprogdino deguonies ir vandenilio mišinį. G. Galilėjus pirmą kartą išanalizavo ledo ir vandens tankio skirtumą 1612 m.
1830 m. prancūzų mokslininkai P. Dulongas ir D. Arago sukūrė garo mašiną. Šis atradimas leido ištirti ryšį tarp sočiųjų garų slėgio ir temperatūros. 1910 m. amerikiečių mokslininkas P. Bridgmanas ir vokietis G. Tammanas atrado keletą polimorfinių ledo modifikacijų esant aukštam slėgiui.
1932 m. amerikiečių mokslininkai G. Urey ir E. Washburn atrado sunkųjį vandenį. Šios medžiagos fizinių savybių anomalijos buvo aptiktos tobulinant įrangą ir tyrimo metodus.
Kai kurie fizinių savybių prieštaravimai
Grynas vanduo yra skaidrus, bespalvis skystis. Jo tankis, kai virsta skysčiu išpadaugėja kietųjų medžiagų, tai pasireiškia vandens savybių anomalija. Kaitinant jį nuo 0 iki 40 laipsnių, tankis padidėja. Didelė šiluminė talpa turėtų būti pastebėta kaip vandens anomalija. Kristalizacijos temperatūra yra 0 laipsnių Celsijaus, o virimo temperatūra yra 100 laipsnių.
Šio neorganinio junginio molekulė turi kampinę struktūrą. Jo branduoliai sudaro lygiašonį trikampį, kurio pagrinde yra du protonai, o viršūnėje – deguonies atomas.
Tankio anomalijos
Mokslininkams pavyko nustatyti apie keturiasdešimt H2O būdingų savybių. Vandens anomalijos nusipelno atidžiai apsvarstyti ir ištirti. Mokslininkai bando paaiškinti kiekvieno veiksnio priežastis, pateikti jam mokslinį paaiškinimą.
Vandens tankio anomalija slypi tame, kad šios medžiagos didžiausias tankis prasideda nuo +3, 98°C. Vėliau aušinant, iš skysčio pereinant į kietą, pastebimas tankio sumažėjimas.
Kitų junginių tankis skysčiuose mažėja mažėjant temperatūrai, nes temperatūros padidėjimas prisideda prie molekulių kinetinės energijos padidėjimo (didėja jų judėjimo greitis), o tai padidina medžiagos trapumą.
Atsižvelgiant į tokias vandens anomalijas, reikia pažymėti, kad kylant temperatūrai jis taip pat linkęs didėti greitis, tačiau tankis mažėja tik esant aukštesnei temperatūrai.
Sumažėjus ledo tankiui, jis atsidurs vandens paviršiuje. Šį reiškinį galima paaiškinti tuo, kad kristale esančios molekulės turi taisyklingą struktūrą, kuri turi erdvinį periodiškumą.
Jei paprastų junginių molekulės yra sandariai supakuotos į kristalus, tada, kai medžiaga ištirpsta, taisyklingumas išnyksta. Panašus reiškinys pastebimas tik tada, kai molekulės yra dideliais atstumais. Tankio sumažėjimas lydant metalus yra nereikšmingas, vertinamas 2-4%. Vandens tankis ledo tankį viršija 10 procentų. Taigi, tai yra vandens anomalijos pasireiškimas. Chemija šį reiškinį paaiškina dipolio struktūra, taip pat kovalentiniu poliniu ryšiu.
Suspaudimo anomalijos
Kalbėkime toliau apie vandens savybes. Jam būdingas neįprastas temperatūros elgesys. Jo suspaudžiamumas, ty tūrio sumažėjimas didėjant slėgiui, gali būti laikomas fizinių vandens savybių anomalijos pavyzdžiu. Į kokias konkrečias savybes čia reikėtų atkreipti dėmesį? Kitus skysčius daug lengviau suspausti esant slėgiui, o vanduo tokias charakteristikas įgauna tik esant aukštai temperatūrai.
Šiluminės talpos temperatūros elgsena
Ši anomalija yra viena stipriausių vandens atžvilgiu. Šilumos talpa nurodo, kiek šilumos reikia norint pakelti temperatūrą 1 laipsniu. Daugeliui medžiagų, ištirpus, skysčio šiluminė talpa padidėja ne daugiau kaip 10 procentų. O vandeniui ištirpus ledui šis fizinis kiekis padvigubėja. Nė viena iš medžiagųtokio šilumos talpos padidėjimo neužfiksuota.
Lede energija, kuri jam tiekiama šildymui, daugiausiai išleidžiama molekulių judėjimo greičiui didinti (kinetinei energijai). Žymus šilumos talpos padidėjimas po lydymosi rodo, kad vandenyje vyksta kiti daug energijos reikalaujantys procesai, kuriems reikia šilumos. Jie yra padidėjusios šilumos talpos priežastis. Šis reiškinys būdingas visam temperatūros diapazonui, kuriame vanduo susikaupia skystoje būsenoje.
Kai tik jis virsta garais, anomalija išnyksta. Šiuo metu daugelis mokslininkų užsiima peršaldyto vandens savybių analize. Jis gali išlikti skystas žemiau 0°C kristalizacijos taško.
Visiškai įmanoma peršaldyti vandenį plonuose kapiliaruose, taip pat nepolinėje terpėje kaip maži lašeliai. Kyla natūralus klausimas, kas tokioje situacijoje pastebima esant tankio anomalijai. Vandeniui peršalus, vandens tankis labai sumažėja, o mažėjant temperatūrai jis linkęs į ledo tankį.
Išvaizdos priežastys
Paklausus: „Įvardykite vandens anomalijas ir apibūdinkite jų priežastis“, būtina jas susieti su statinio pertvarkymu. Dalelių išsidėstymą bet kurios medžiagos struktūroje lemia dalelių (atomų, jonų, molekulių) tarpusavio išsidėstymo joje ypatumai. Vandenilio jėgos veikia tarp vandens molekulių, kurios pašalina šį skystį nuo priklausomybės tarp virimo ir lydymosi taškų,būdinga kitoms medžiagoms, kurios yra skystos agregacijos būsenoje.
Jie atsiranda tarp tam tikro neorganinio junginio molekulių dėl elektronų tankio pasiskirstymo ypatumų. Vandenilio atomai turi tam tikrą teigiamą krūvį, o deguonies atomai – neigiamą. Dėl to vandens molekulė turi taisyklingo tetraedro formą. Panaši struktūra pasižymi 109,5° sukibimo kampu. Palankiausias išdėstymas yra deguonies ir vandenilio išdėstymas toje pačioje linijoje, turinčios skirtingus krūvius, todėl vandenilinis ryšys pasižymi elektrostatiniu pobūdžiu.
Taigi, neįprastos (anomalios) vandens savybės yra ypatingos jo molekulės elektroninės struktūros pasekmė.
Vandens atmintis
Egzistuoja nuomonė, kad vanduo turi atmintį, gali kaupti ir perduoti energiją, pamaitindamas organizmą virtualia informacija. Ilgą laiką su šia problema sprendė japonų mokslininkas Masaru Emoto. Daktaras Emoto paskelbė savo tyrimų rezultatus knygoje „Žinutės iš vandens“. Mokslininkai atliko eksperimentus, kurių metu jis pirmiausia užšaldė 5 laipsnių vandens lašelį, o po to mikroskopu išanalizavo kristalų struktūrą. Rezultatams įrašyti jis panaudojo mikroskopą, kuriame buvo pastatyta kamera.
Eksperimento metu Masau Emoto įvairiais būdais paveikė vandenį, vėliau jį vėl užšaldė ir fotografavo. Jam pavyko rasti ryšį tarp ledo kristalų formos ir muzikos,kurio klausėsi vanduo. Keista, tačiau mokslininkas, naudodamas klasikinę ir liaudies muziką, užfiksavo harmoningiausias snaiges.
Šiuolaikinės muzikos naudojimas, pasak Masau, „teršia“vandenį, todėl jie buvo fiksuoti netaisyklingos formos kristalai. Įdomus faktas – japonų mokslininkas nustatė ryšį tarp kristalų formos ir žmogaus energijos.
Vanduo yra pati nuostabiausia medžiaga, kurios dideliais kiekiais randama mūsų planetoje. Sunku įsivaizduoti kokią nors šiuolaikinio žmogaus veiklos sritį, kurioje ji aktyviai nedalyvautų. Šios medžiagos universalumą lemia anomalijos, kurias sukelia tetraedrinė vandens struktūra.
