Жизнь в том виде, как мы её понимаем, на Земле началась с воды. Потому нам кажется, что эта субстанция хорошо изучена и знакома нам на все 100%. Но на самом деле вода таит в себе множество интересных особенностей, которые в общем-то можно объяснить физикой, но это настолько не интуитивно, что вода сразу переходит в раздел веществ с супер-свойствами.

Впрочем, даже с учётом возможности разобраться во множестве странных свойств воды с точки зрения науки (увы, не во всех), само количество этих специфик превышает количество особенностей других существующих веществ всех вместе взятых. Давайте отправимся в уникальный подводный (или водный) мир и посмотрим на самые странные явления.

Вода расширяется, когда замерзает

Если вы оставите на морозе банку с водой или не выльете перед зимой бак для дождевой воды на даче, то ёмкость с большой долей вероятности разорвёт. Базовые знания физики подсказывают вам, что при охлаждении любое вещество сжимается.


Молекула воды

Уменьшается интенсивность движения частиц в их структуре, а потому и силы взаимного отталкивания проявляются в меньшей степени. В итоге атомы притягиваются интенсивнее, чем отталкиваются и, если просто, никакие колебания не мешают притяжению делать свою работу. Объем вещества при охлаждении уменьшается. Тогда что разрывает банку?

А то, что вода нестандартная. Настолько нестандартная, что при охлаждении расширяется. Таких веществ существует не так много в природе и вода - одно из них. Это называется низкотемпературная аномалия плотности.

При переходе в лёд молекулы образуют кристаллическую решётку. Форма молекулы воды известна вам всем и она довольно странная. Для простоты можете представлять её как треугольник. Пока частицы подвижны, эти треугольники находят выгодное взаимное расположение.


Поверните каждый треугольник и используйте разные углы поворота. Как будет выглядеть стена?

Но как только начинается кристаллизация, подвижности нет, частицы пытаются сближаться и треугольная форма молекул работает, как распорка. Треугольники выстраиваются таким образом, что расталкивают друг друга и получается структура с пустотами, из-за чего объём увеличивается примерно на 9%. В итоге плотность льда меньше плотности воды. Именно поэтому лёд плавает, а не тонет, спасая жизнь существ в водоёмах зимой.

Существует более 20 видов льда

Но думать, что лёд - это что-то понятное и стабильное не то, чтобы правильно. Учёные открыли не один, а целых два десятка кристаллических форм льда, каждая со своей структурой и плотностью. Есть лёд, который тонет в воде, есть сверхплотный лёд, формирующийся под чудовищным давлением, а есть “аморфный лёд” - неупорядоченный, словно застывшее стекло. Некоторые из них существуют внутри ледяных спутников Юпитера и Сатурна.

Экзотические формы льда возникают из-за того, что молекулы воды способны соединяться бесчисленными способами через водородные связи, и каждая конфигурация устойчива только при определённых температуре и давлении.


Фазовая диаграмма воды. В более сложном случае область твёрдого вещества тоже будет неоднородна

В обычных условиях молекулы H₂O выстраиваются в “шестигранную” решётку — именно такую имеет привычный лёд, плавающий в стакане. Но если изменить внешние параметры — скажем, резко увеличить давление или понизить температуру, — молекулам приходится искать новое расположение, чтобы сохранить устойчивость. В результате образуются десятки различных кристаллических структур: кубические, тетрагональные, ромбические или даже “аморфные” (бесформенные).

По сути, экзотические формы льда — это разные способы упаковать одну и ту же молекулу воды в ограниченном пространстве. Поэтому такие льды встречаются не на Земле, а в глубинах планет и спутников, где давление в тысячи раз превышает земное атмосферное. Но самое интересное, что почти у всех других веществ, известных науке, таких аномалий нет.

Жидкость с памятью

У воды есть странная способность сохранять структуру водородных связей даже после растворения веществ. На уровне молекулярных кластеров остаются “следы” прежних связей. Это не “магическая память”, но физическое явление, которое изучают с помощью фемтосекундных лазеров.

Молекула воды способна образовывать четыре водородные связи - две в качестве донора (через атомы водорода) и две в качестве акцептора (через кислород). Эти связи очень слабые и непостоянные: в жидкой воде они образуются и рвутся триллионы раз в секунду.


Вода сохранит отпечаток структуры того, что растворила

Когда в воду добавляют, например, соль или сахар, молекулы растворённого вещества вмешиваются в сеть водородных связей. Вода вокруг ионов или молекул выстраивается в определённом порядке - образуя так называемые гидратные оболочки.

Даже когда вещество полностью растворено и “исчезло” на глаз, структура воды вокруг бывших зон растворения остаётся немного упорядоченной. Это означает, что локальные кластеры молекул воды сохраняют изменённую конфигурацию водородных связей на доли наносекунды дольше, чем обычная “чистая” вода. Как будто где-то сохраняется информация о старой конфигурации. На практике это объясняется спецификой динамики частиц, характерных для воды.

Ну а визуально оно представляется, как вода где-то и почему-то некоторое непродолжительное время сохраняет тень структуры того кристаллического вещества, которое она растворила.

Зато популярная идея про изменение структуры у воды в результате прохождения через трубы или при прослушивании музыки оказалась не то, чтобы научной.


Вода

Эта идея стала популярной благодаря японскому исследователю Масару Эмото, который утверждал, что кристаллы льда формируются по-разному в зависимости от музыки или слов, направленных на воду. Однако его “эксперименты” не соответствовали научным стандартам: не было контроля, повторяемости, слепых испытаний и статистического анализа. Когда другие учёные пытались воспроизвести эти результаты в лабораторных условиях — им этого не удалось.

С научной точки зрения, структура воды определяется физическими параметрами среды: температурой, давлением и примесями. Звуковые волны действительно могут вызывать механические колебания (например, если вода вибрирует под басы колонки), но это никак не изменяет её молекулярную организацию. Впрочем, мы не можем исключать, что один конкретный ученый действительно мог так влиять на воду (вспоминая эффект Паули), но полноценного подтверждения у нас нет.

Вода нагревается при охлаждении и спонтанно промерзает

Помните ужасные картинки, где какая-нибудь лиса вмерзает в лёд? Как правило это печальное явления связано с так называемым переохлажденным состоянием воды. Живая лиса падает в такую воду, делает движения и как по велению волшебной палочки вмерзает в толщу льда за секунды.

Если воду охладить очень быстро и чисто - без пылинок, пузырьков и неровностей, где могла бы начаться кристаллизация, - она остается жидкой даже при отрицательных температурах, например, при −10 °C. Это состояние называется переохлаждённой водой. Ну а появление любого выгодного центра кристаллизации вызывает спонтанное мгновенное замерзание.

Это ужасно, но это ещё не всё. Когда вода замерзает, она выделяет тепло - так называемую скрытую теплоту кристаллизации. Обычно этот процесс идёт постепенно: температура понижается до 0 °C, и дальше вода превращается в лёд, оставаясь на этом уровне. Но когда переохлаждённая вода внезапно начинает превращаться в лёд (например, от толчка, вибрации или попадания пылинки), процесс кристаллизации выделяет тепло, и температура мгновенно повышается до 0 °C. То есть в этот момент вода нагревается во время охлаждения - буквально “вскипает холодом”.

У воды нет нормальной плотности

Когда на ваш взгляд плотность жидкого вещества максимальная? Логично полагать, что это точка, когда оно максимально остыло, но ещё не перешло в состояние кристаллизации. Но у воды опять всё не так.


Плотность воды

Максимальная плотность воды наблюдается не при замерзании, а при +4 °C. Это связано со всё той же аномалией плотности. Треугольники структуры получают наиболее выгодное расположение именно при такой температуре. В итоге плотность максимальна при слабо положительных температурах.

В природе это свойство невероятно ценное. Оно создаёт аномальную циркуляцию в водоёмах: зимой тёплая (более плотная) вода опускается вниз, а холодная поднимается вверх. Благодаря этому подо льдом сохраняется жизнь, а озёра не промерзают до дна.

В одной воде сразу две

Современные исследования показывают, что жидкая вода может существовать в двух разных “жидких состояниях”, отличающихся по плотности и внутренней структуре водородных связей.

Обычно мы думаем, что жидкая вода - это просто “хаотичная” смесь молекул. Но на самом деле внутри неё постоянно борются две структуры:

*LDL (Low-Density Liquid) — низкоплотная, более “рыхлая” вода, похожая по строению на лёд;

*HDL (High-Density Liquid) — плотная, более “сжатая” форма, где молекулы расположены ближе друг к другу.

Эти две формы не существуют отдельно, как слои, но они сосуществуют и переходят друг в друга в зависимости от температуры и давления.

В экспериментах при очень низких температурах (около −100 °C) и повышенном давлении они заметили, что вода резко меняет плотность, как будто происходит фазовый переход — но оставаясь жидкостью. Этот переход учёные называют “жидко-жидкий фазовый переход”. Это ставит под вопрос наше понимание фазового состояния как такового.

И да, при плюс 20 градусах и нормальном давлении в воде тоже сосуществует эти два состояния, но обнаружить их сложнее.

Вода - самый сильный растворитель

Когда-то на лекции химик сказал нам, что вода - это самый сильный универсальный растворитель, способный справится с любыми веществами. Вопрос только во времени. На самом деле это приукрашивает действительность, но из всех растворителей в природе у воды действительно самый широкий спектр действия.


Растворение в воде

Такие свойства обусловлены структурой воды. Кислород притягивает электроны сильнее водорода, поэтому на нём появляется частичный отрицательный заряд, а на водородах — частичный положительный. В итоге вода становится полярной молекулой, то есть имеет два “электрических полюса”.

Растворение, как вы помните - это процесс разбора растворяющегося вещества на куски. Полярность делает воду «электрическим магнитом» для молекул. Так, когда ты помещаешь в воду соль (NaCl), молекулы воды окружают ионы натрия (Na⁺) и хлора (Cl⁻): отрицательно заряжённый конец молекулы воды (кислород) притягивается к Na⁺, а положительный (водороды) — к Cl⁻.

Так вода буквально разрывает кристалл соли на ионы и удерживает их в растворе. То же самое происходит с сахарами, кислотами, спиртами и тысячами других веществ.

Молекулы воды способны связываться друг с другом водородными связями, образуя плотную сетку. Когда к ним попадает растворяемое вещество, эта сеть гибко перестраивается, “впуская” чужую молекулу внутрь и обволакивая её.

Благодаря этому она может удерживать в себе даже довольно крупные органические молекулы — в том числе аминокислоты и сахара, из которых построена жизнь.

Вместо итога

В этом деле самое занятное, что самое простое на первый взгляд вещество, которое сейчас есть рядом с вами в чайнике, таит в себе море физических тайн. В итоге обычная вода может потягаться по уникальности даже с разными космическими объектами типа червоточин или чёрных дыр. Физика воды оказывается где-то на уровне тайн становления Вселенной.

Источник