Физические свойства воды. Входил ли ты в хранилища снега? Итак, рассмотрим наиболее весомые понятия о строении молекул воды

Том Хениган

Снежинки - настоящее архитектурное чудо!

Тысячи лет назад Бог спрашивал Иова: «Входил ли ты в хранилища снега?»

Ни один человек, живший в то время, не мог знать всего о хранилищах снега. Но с изобретением микроскопов появилась возможность полностью оценить сложность снежных кристаллов. Миллиарды этих прозрачных сокровищ каждый день падают на землю, чтобы мы могли радоваться им, а также, исследовать. И нет похожей на другую!

Считается, что в одном кубическом метре снега находится около 350 млн. снежинок! Каждая из них имеет шестиугольную форму и кристаллоподобную структуру. Столетиями ученые пытались понять: откуда такая форма, что влияет на симметрию и почему она разная у каждой снежинки?

Китайские натуралисты смогли обнаружить шестиугольную природу снежинок за тысячи лет до того, как об этом узнали европейцы. В 1611 году, немецкий астроном Иоганн Кеплер был озадачен тем, как образуются сложные формы снежинок и только лишь в 1920-х годах, когда была создана рентгеновская кристаллография, исследователи смогли на уровне атомов изучить структуру снежных кристаллов.

Каждая мельчайшая полученная информация раскрывает еще одну грань удивительной тайны, заключенной в снежинке.

Снег – настоящее архитектурное чудо!

Снежные кристаллы образуются в облаке, когда водяной пар . Молекулы воды собираются вместе в виде шестиугольной решетки. По мере того, как новые молекулы добавляются, кристалл увеличивается. Неровные угловые участки растут быстрее, чем «гладкие» участки, благодаря чему снежинки приобретают сложные формы. По мере того, как кристалл растет, появляются симметричные и прекрасные узоры . Такие тонкие и маленькие, снежинки похожи на звездочки или головку иголки со множеством хрупких кончиков (Рис. 1). Форма снежинок на рисунках просто удивительна. Смотришь на них с замиранием!

Рисунок 1. Молекулы выстраиваются так, что образуются прекрасные кристаллы, каждый из которых просто уникален. Снежинки демонстрируют изумительную симметрию дизайна, свидетельствуя о том, что их сотворил Господь.

Каждый отдельный кристалл льда состоит буквально из миллионов молекул воды. Отрываясь от облаков и падая вниз, они проходят через разные температуры, в результате чего приобретают самые разнообразные формы. Поэтому каждый снежный кристаллик отличается от другого. (См. Как рождаются снежинки ).

Действительно, существуют хранилища снега, как сказал об этом Бог еще 4000 лет тому назад.

Рисунок 2. Фотографии снежного кристалла, сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа. Так же как и звезды, радуга, цветы и многие другие Божьи творения, снежинки напоминают нам о том, что наш Творец поистине любит красоту.

Безграничная креативность

Снежинки говорят нам кое-что о характере Бога: Бог любит красоту! И Он любит каждого из нас, т. к. дал нам возможность ее созерцать.

Сложность и идеальность шестиугольной структуры снежных кристаллов, а также то, как отдельные молекулы снова и снова закономерно соединяются друг с другом, свидетельствуют о том, что их сотворил Господь.

Интересно то, что в отличие от природного, искусственный снег, сделанный человеком, не обладает столь сложными и красивыми структурами. Это означает, что снег не обязательно должен был иметь такую красоту. И это говорит нам кое-что о характере Творца: Бог любит красоту! И Он любит каждого из нас, т. к. дал нам возможность ее созерцать.

Образование снежинок - это еще одно проявление безграничной изобретательности Бога. Точно так же, как каждый кристалл снега имеет свою неповторимую форму и узор, каждая человеческая душа уникальна и особенна для нашего Господа .

Кристаллы льда учат нас духовным вещам. Точно так же, как каждый кристалл снега имеет свою неповторимую форму и узор, каждая человеческая душа уникальна и особенна для нашего Господа.

Подумайте также об истине Сотворения и о величии Творца. Ведь это всего лишь снежинки - крошечная часть творения. И такая сложность и красота дизайна! Кто бы мог подумать?! Что же тогда говорить о миллионах живых существ и о величии всей сотворенной вселенной! Это также свидетельствует о глупости веры в то, что все само себя создало, без участия живого Бога.

Красивые снежинки свидетельствуют о Боге красоты

Так же как и звезды, радуга, цветы и многие другие Божьи творения, снежинки напоминают нам о том, что наш Творец поистине любит красоту. Даже в результате вторжения в мир греха в нем осталось множество нетронутой красоты, которую мы можем созерцать.

Красивые узоры, которые мы видим на фотографиях снежинок, могут еще больше наполнить нас желанием разгадать их тайну. Если говорить о наслаждении прекрасными творениями рук Бога, то в действительности «мы еще ничего не видели». Я верю в то, что высшую красоту мы увидим тогда, когда достигнем нашего небесного дома. И эта красота будет принадлежать нам, если мы доверяем наши души Спасителю Иисусу, Который пришел на Землю, чтобы омыть нас от грехов.

Ученый о снежных кристаллах и личном духовном опыте

Из интервью с доктором наук Ларри Вардмиманом*:

«Есть две вещи в ледяных кристаллах, которые меня изумляют.

Во-первых, их красота. Присмотревшись, Вы увидите великолепные узоры. Существует более 100 основных типов кристаллов льда, и все они прекрасны. Это говорит нам кое-что о характере Бога: Бог любит красоту!

И Он любит каждого из нас, т. к. дал нам возможность ее созерцать. И она перекликается с каждым из нас. Ее можно видеть в том, как устроены кристаллы льда, как отдельные молекулы снова и снова закономерно соединяются друг с другом. Все это свидетельствует о том, что их сотворил Господь.

Во-вторых, они учат нас духовным вещам. Точно так же, как каждый кристалл снега имеет свою неповторимую форму и узор, каждая человеческая душа уникальна и особенна для нашего Господа. Как заботливые Божьи руки с любовью создают каждую отдельную снежинку, так и каждого человека Бог создает непохожим на остальных, чтобы в нем отражалась Его слава

По сравнению со всем творением, снежные кристаллы кажутся весьма простыми. Но такое особое внимание Творца к мельчайшим снежинкам, является свидетельством Его особой заботы о Своем творении».

* Доктор Ларри Вардиман – ученый- метеоролог, член Американского Метеорологического Общества, автор многочисленных работ в области физики облаков.

Как рождаются снежинки

Снежинки состоят из удивительных молекул воды. Каждый атом кислорода имеет небольшой отрицательный заряд, удерживающий два атома водорода, которые имеют положительные заряды. Угол между связями данных атомов равен 104,5°. При достижении точки замерзания, наступает момент, когда электрические заряды (+ или -) могут соединить их вместе, что и является источником энергии. Молекулы выстраиваются так, что формируются прекрасные кристаллы.

Кристаллы снега образуются, когда крошечные переохлажденные капли облака замерзают. Эти капли могут оставаться жидкими при температурах ниже -18 °C, т.к. для того, чтобы замерзнуть, несколько молекул в жидкой капле должны собраться вместе и образовать структуру, схожую со структурой в ледяной решетке, а затем капля замерзает вокруг этого «ядра». Эксперименты показывают, что это «гомогенное» образование центров кристаллизации в каплях облака происходит только при температурах ниже -35 °C. В более теплых облаках в капле должна присутствовать (или же быть связана с ней) аэрозольная частица («ледяное ядро») для того, чтобы она действовала, как ядро.

После того как капля замерзает, она растет в перенасыщенной среде и увеличивается путем диффузии молекул воды в воздухе (паре) по поверхности ледяного кристалла там, где они осаждаются. Так как число капель намного превышает количество ледяных кристаллов, размер кристаллов может достигать сотни микрометров или миллиметров за счет капель воды. Соответствующее истощение водяного пара приводит к тому, что капли испаряются, а это означает, что ледяные кристаллы практически растут за счет капель. Эти крупные кристаллы являются эффективным источником выпадения осадков, т.к. они падают через атмосферу, благодаря своей массе, и могут сталкиваться, а также соединяться друг с другом в скопления (агрегаты). Агрегаты – это снежинки и, как правило, вид ледяной частицы, которая падает на землю. Точные детали механизма сцепления кристаллов остаются неясными.

Несмотря на то, что лед прозрачный, улавливание света гранями и полостями (углублениями) кристалла означает, что кристаллы часто выглядят белыми, благодаря диффузному отражению всего спектра света маленькими частицами льда.

Подпишись на рассылку

Находящееся агрегатном состоянии, которому свойственно иметь газообразную или жидкую форму при комнатной температуре. Свойства льда начали изучать сотни лет назад. Около двухсот лет тому назад ученые обнаружили, что вода - не простое соединение, а сложный химический элемент, состоящий из кислорода и водорода. После открытия формула воды стала иметь вид Н 2 О.

Строение льда

Н 2 О состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. В спокойном состоянии водород располагается на вершинах атома кислорода. Ионы кислорода и водорода должны занимать вершины равнобедренного треугольника: кислород располагается на вершине прямого угла. Такое строение воды называется диполем.

Лед состоит на 11.2% процента из водорода, а остальное - это кислород. Свойства льда зависят от его химического строения. Иногда в нем присутствуют газообразные или механические образования - примеси.

Лед встречается в природе в виде немногочисленных кристаллических видов, которые устойчиво сохраняют свое строение при температурах от нуля и ниже, но при нуле и выше он начинает плавиться.

Структура кристаллов

Свойства льда, снега и пара совершенно разные и зависят от В твердом состоянии Н 2 О находится в окружении четырех молекул, расположенных в углах тетраэдра. Так как координационная численность низкая, то лед может иметь ажурную структуру. Это отображается на свойствах льда и его плотности.

Формы льда

Лед относится к распространенным в природе веществам. На Земле есть следующие его разновидности:

• речной;
• озерный;
• морской;
• фирновый;
• глетчерный;
• грунтовый.

Есть лед, напрямую образующийся сублимационным путем, т.е. от парообразного состояния. Такой вид принимает скелетовидную форму (мы их называем снежинки) и агрегатов дендритного и скелетного роста (изморозь, иней).

Одной из самых распространенных форм являются сталактиты, т. е. сосульки. Они растут по всему миру: на поверхности Земли, в пещерах. Этот вид льда образуется путем стекания капель воды при разнице температур около нуля градусов в осенне-весенний период.

Образования в виде ледяных полос, появляющихся по краям водоемов, на границе воды и воздуха, а также по краю луж, называются ледяными заберегами.

Лед может образовываться в пористых грунтах в виде волокнистых прожилок.

Свойства льда

Вещество может находиться в разных состояниях. Исходя из этого, возникает вопрос: а какое свойство льда проявляется в том или ином состоянии?

Ученые выделяют физические и механические свойства. Каждое из них имеет свои особенности.

Физические свойства

К физическим свойствам льда относят:

1. Плотность. В физике неоднородная среда представлена пределом отношения массы вещества самой среды к объему, в котором она заключена. Плотность воды, как и других веществ, является функцией температур и давления. Обычно в расчетах используют постоянную плотность воды, равную 1000 кг/м 3 . Более точный показатель плотности учитывается только тогда, когда необходимо очень точно провести расчеты ввиду важности получаемого результата разности плотностей.
   При проведении расчетов плотности льда учитывается, какая вода стала льдом: как известно, плотность соленой воды выше, чем дистиллированной.
2. Температура воды. Обычно происходит при температуре ноль градусов. Процессы замерзания происходят скачками с выделением теплоты. Обратный процесс (таяние) происходит при поглощении того же количества тепла, которое было выделено, но без скачков, а постепенно.
   В природе встречаются условия, при которых происходит переохлаждение воды, но она не замерзает. Некоторые реки сохраняют жидкое состояние воды даже при температуре -2 градуса.
3. количество теплоты, которое поглощается при нагревании тела на каждый градус. Есть удельная теплоемкость, которая характеризуется количеством теплоты, необходимой для нагрева килограмма дистиллированной воды на один градус.
4. Сжимаемость. Еще одно физическое свойство снега и льда - сжимаемость, влияющая на уменьшение объема под воздействием повышенного внешнего давления. Обратная величина называется упругостью.
5. Прочность льда.
6. Цвет льда. Это свойство зависит от поглощения света и рассеивания лучей, а также от количества примесей в замерзшей воде. Речной и озерный лед без посторонних примесей виден в нежно-голубом свете. Морской лед может быть совершенно другим: голубым, зеленым, синим, белым, коричневым, иметь стальной оттенок. Иногда можно увидеть черный лед. Такой цвет он приобретает из-за большого количества минералов и различных органических примесей.

Механические свойства льда

Механические свойства льда и воды определяются сопротивлением воздействию внешней среды по отношению к единице площади. Механические свойства зависят от структуры, солености, температуры и пористости.

Лед - это упругое, вязкое, пластичное образование, но бывают условия, при которых он становится твердым и очень хрупким.

Морской лед и пресноводный различаются: первый намного пластичнее и менее прочный.

При прохождении кораблей обязательно учитываются механические свойства льда. Также это важно при использовании ледяных дорог, переправ и не только.

Вода, снег и лед обладают схожими свойствами, которые определяют характеристики вещества. Но в то же время на эти показания влияют и многие другие факторы: температура окружающей среды, примеси в твердом веществе, а также исходный состав жидкости. Лед - это одно из самых интересных веществ на Земле.

Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 4°С плотность ее также увеличивается. При 4°С вода имеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании ее плотность уменьшается.

Если бы при понижении температуры и при переходе из жид кого состояния в твердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались. бы до 0°С и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0°С. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоем промерзал бы на всю его глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотность вода достигает при 4 °С, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.

Большое значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода. обладает аномально высокой теплоемкостью , Поэтому.в ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким образом, регулято ром температуры на земном шаре.

В связи с тем, что при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, давление понижает температуру плавления льда. Эта вытекает из принципа Ле Шателье. Действительно, пусть. лед и жидкая вода находятся в равновесии при О°С. При увеличе нии давления равновесие, согласно принципу Ле Шателье, сме стится в сторону образования той фазы, которая при той же темпе ратуре занимает меньший объем. Этой фазой является в данном случае жидкость. Таким образом, возрастание давления при О°С вызывает превращение льда в жидкость, а это и означает, что тем пература плавления льда снижается.

Молекула воды имеет угловое строение; входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине - ядро атома кислорода, Межъядерные расстояния О-Н близки к 0,1 нм, расстояние ме жду ядрами атомов водорода равно примерно 0,15 нм. Из восьми электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды две электронные пары образуют ковалентные связи О-Н, а остальные четыре электрона представляют собой две неподеленных электронных пары.

Атом кислорода в молекуле воды находится в состоянии -aea?eaecaoee. Поэтому валентный угол НОН (104,3°) близок к тетраэдрическому (109,5°). Электро ны, образующие связи О-Н, смещены к более электроотрицательному атому кислорода. В результате атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды, так что на этих атомах создаются два положительных полюса. Центры отрицательных зарядов неподеленных электронных пар атома кислорода, находящиеся на гибридных - орбиталях, смещены относительно ядра атома и создают два отрицательных полюса.

Молекулярная масса парообразной воды равна 18 и отвечает ее простейшей формуле. Однако молекулярная масса жидкой воды, определяемая путем изучения ее растворов в других растворителях оказывается более, высокой. Это свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т. е. соединение их в более сложные агрегаты. Такой вывод подтверждается и аномально высокими значениями температур плавления и кипения воды. Ассоциация молекул воды вызвана образованием между ними водородных связей.

В твердой воде (лед) атом кислорода каждой молекулы уча ствует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды согласно схеме, в которой водородные связи показаны пунктиром. Схема объемной структуры льда изображена на рисунке. Образование водо родных связей приводит к такому расположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другом своими разноимен ными полюсами. Молекулы образуют слои, причем каждая из них связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной - из соседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, раз меры наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, раз меры которых несколько превышают размеры молекулы.

При плавлении льда его структура разрушается. Но и в жид кой воде сохраняются водородные связи между молекулами: обра зуются ассоциаты - как бы обломки структуры льда, - состоящих из большего или меньшего числа молекул воды. Однако в отличит от льда каждый ассоциат существует очень короткое время: по стоянно происходит разрушение одних и образование других агре гатов. В пустотах таких «ледяных» агрегатов могут размещаться одиночные молекулы воды; при этом упаковка молекул воды ста новится более плотной. Именно поэтому при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, а ее плотность возрастает.

По мере нагревания воды обломков структуры льда в ней становится все меньше, что приводит к дальнейшему повышению плотности воды. В интервале температур от 0 до 4°С этот эффект преобладает над тепловым расширением, так что плотность воды продолжает возрастать. Однако при нагревании выше 4°С преобладает влияние усиления теплового движения молекул и плотность воды уменьшается. Поэтому при 4°С вода обладает максимальной плотностью.

При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей (энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25 кДж/моль). Этим объясняется высокая теплоемкость воды.

В молекуле воды главным действующим лицом является атом кислорода.

Поскольку атомы водорода друг от друга заметно отталкиваются, угол между химическими связями (линиями, соединяющими ядра атомов) водород - кислород не прямой (90°), а немного больше - 104,5°.

Химические связи в молекуле воды – полярные, так как кислород подтягивает к себе отрицательно заряженные электроны, а водород - положительно заряженные электроны. В результате вблизи атома кислорода скапливается избыточный отрицательный заряд, а у атомов водорода - положительный.

Поэтому вся молекула воды является диполем, то есть молекулой с двумя разноименными полюсами. Дипольная структура молекулы воды во многом определяет ее необычные свойства.

Молекула воды – это диамагнетик.

Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура - тетраэдр. Таково строение самой молекулы воды.

При изменении состояния молекулы воды длина сторон и угол между ними изменяются в тетраэдре.

Например, если молекула воды находится в парообразном состоянии, то угол, образованный ее сторонами, равняется 104°27". В водном состоянии угол составляет 105°03". И в состоянии льда угол равен 109,5°.

Геометрия и размеры молекулы воды для различных состояний
а - для парообразного состояния
б - для низшего колебательного уровня
в - для уровня, близкого к образованию кристалла льда, когда геометрия молекулы воды соответствует геометрии двух египетских треугольников с соотношением сторон 3: 4: 5
г - для состояния льда.

Если разделить пополам эти углы, то получим углы:
104°27": 2 = 52°13",
105°03": 2 = 52°31",
106°16": 2 = 53°08",
109,5°: 2 = 54°32".

Значит, среди геометрических рисунков молекулы воды и льда находится знаменитый египетский треугольник, в основу построения которого заложены соотношения золотой пропорции - длины сторон относятся как 3:4:5 с углом 53°08".

Молекула воды приобретает строение золотой пропорции на пути, когда вода переходит в лед, и наоборот, когда лед тает. Очевидно, за это состояние и ценится талая вода, когда ее структура в построении имеет пропорции золотого сечения.

Теперь становится понятным, что знаменитый египетский треугольник с соотношением сторон 3:4:5 "взят" из одного из состояний молекулы воды. Сама же геометрия молекулы воды образована двумя египетскими прямоугольными треугольниками, имеющими общий катет равный 3.

Молекула воды, имеющая в основе соотношение золотой пропорции, является физическим проявлением Божественной Природы, которая участвует в создании жизнь. Именно поэтому в земной природе заложена та гармония, которая присуща всему космосу.

И поэтому древние египтяне обожествляли числа 3, 4, 5, а сам треугольник считали священным и старались заложить его свойства, его гармонию в любую конструкцию, дома, пирамиды и даже в разметку полей. Кстати, украинские хаты строились тоже с применением соотношения золотой пропорции.

В пространстве молекула воды занимает некоторый объем, и покрыта электронной оболочкой в виде вуали. Если представить вид гипотетической модели молекулы в плоскости, то она похожа на крылья бабочки, на Х-образную хромосому, в которой записана программа жизни живого существа. И это является показательным фактом того, что сама вода - это обязательный элемент всего живого.

Если представить вид гипотетической модели молекулы воды в объеме, то она передает форму треугольной пирамиды, у которой имеется 4 грани, а у каждой грани по 3 ребра. В геометрии треугольная пирамида называется тетраэдром. Такое строение свойственно кристаллам.

Таким образом, молекула воды образует прочную уголковую структуру, которую она сохраняет даже, когда находится в парообразном состоянии, на грани перехода в лед, и когда превращается в лед.

Если "скелет" молекулы воды так устойчив, то и его энергетическая "пирамида" - тетраэдр тоже стоит непоколебимо.

Такие структурные свойства молекулы воды в различных условиях объясняются прочными связями между двумя атомами водорода и одним атомом кислорода. Эта связь примерно в 25 раз сильнее, чем связь между соседними молекулами воды. Поэтому легче отделить одну молекулу воды от другой, например, при нагревании, чем разрушить саму молекулу воды.

За счет ориентационных, индукционных, дисперсионных взаимодействий (сил Ван-дер-Ваальса) и водородных связей между атомами водорода и кислорода соседних молекул молекулы воды способны образовывать как случайные ассоциаты, т.е. не имеющие упорядоченной структуры, так и кластеры – ассоциаты, имеющие определенную структуру.

Согласно статистическим данным, в обычной воде находится случайных ассоциатов - 60% (деструктурированная вода) и кластеров - 40% (структурированная вода).

В результате исследований, проведенных российским ученым С. В. Зениным, были обнаружены стабильные долгоживущие кластеры воды.

Зенин установил, что молекулы воды первоначально образуют додекаэдр. Четыре додекаэдра соединяясь, образует основной структурный элемент воды - кластер, состоящий из 57 молекул воды.

В кластере додекаэдры имеют общие грани, а их центры образуют правильный тетраэдр. Это объёмное соединение молекул воды, в том числе гексамеров, которое имеет положительные и отрицательные полюса.

Водородные мостики позволяют молекулам воды объединяться самыми различными способами. Благодаря этому в воде наблюдается бесконечное разнообразие кластеров.

Кластеры могут взаимодействовать друг с другом за счет свободных водородных связей, что приводит к появлению структур второго порядка в виде шестигранников. Они состоят из 912 молекул воды, которые практически не способны к взаимодействию. Время существования такой структуры весьма велико.

Эту структуру, похожую на маленький острый кристаллик льда из 6 ромбических граней, С.В. Зенин назвал "основным структурным элементом воды”. Многочисленные эксперименты подтвердили; в воде - мириады таких кристалликов.

Эти кристаллики льда почти не взаимодействуют друг с другом, поэтому не образуют более сложных устойчивых конструкций и легко скользят гранями относительно друг друга, создавая текучесть. В этом смысле вода напоминает переохлажденный раствор, который никак не может кристаллизоваться.