Вода
Жизненное пространство, в котором обитают наши животные в аквариуме, – вода. Поэтому важно познакомиться с некоторыми основными свойствами воды поближе. Вода играет в мире молекул особо важную роль. Ее химическая формула – H2O. Соответственно молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Атом водорода состоит из ядра и электрона, который вращается вокруг ядра по одной электронной орбите.
Эта электронная орбита будет заполнена и стабильна, если на ней находятся два электрона. Атом водорода стремится дополнить свою орбиту через контакт с другим атомом.
Здесь свои возможности предоставляет атом кислорода. В то время как его первая электронная орбита заполнена двумя электронами, на второй орбите ему не хватает двух электронов, чтобы стать стабильным. В этой совместной реакции соединяются два атома водорода и один кислорода. Внешняя орбита кислорода заполняется двумя электронами обоих атомов водорода, в это же время электрон кислорода пополняет электронные орбиты атома водорода. Верно высказывание: «В одиночку мы слабы, вместе мы сильны». Возникает стабильная молекула из двух атомов водорода и одного атома кислорода, которую мы называем водой.
Отметим, что молекула воды выглядит по-другому, чем предполагалось. Атом кислорода располагается не точно посреди двух атомов водорода. Молекула имеет угловую структуру. Атомы водорода располагаются с одной стороны атома кислорода и образуют между собой угол примерно 105°. Эта форма молекулы обеспечивает воде особенные свойства.
Плотность, температура плавления, температура кипения
Молекула воды, несмотря на то, что все ее электроны распределены, отнюдь не нейтральна. Наибольшая плотность электрических зарядов не приходится на геометрическую середину.
На стороне кислорода преобладает отрицательный заряд, на стороне водорода – положительный. Возникает так называемый диполь.
Этот диполь действует таким образом, что молекулы воды взаимодействуют между собой и образуют более или менее связанные группы. Так, при комнатной температуре образуются группы приблизительно из шести молекул. Очевидно, такие группы молекул реагируют значительно медленнее, чем отдельные молекулы. Если сравнить молекулы воды с химически подобными молекулами, такими, как теллурид водорода, селеноводород, сероводород, то можно было бы ожидать, что из-за своего низкого молекулярного веса вода должна иметь очень низкую температуру точки кипения и плавления. Вода должна была бы кипеть примерно при –96 °C вместо +100 °C и примерно при –100 °C замерзать вместо 0 °C. Итак, при температурных условиях нашей Земли не могло бы быть ни жидкой воды, ни воды в виде льда, был бы возможен только водяной пар. Образование молекулярных групп воды, которые также называются кластерами, делают возможным то состояние воды, которое мы знаем и которое дает возможность воде быть эликсиром жизни. Когда вода замерзает, проявляются другие ее особенности. Каждая молекула воды обладает двумя положительными атомами водорода и только одним отрицательным атомом кислорода. Вследствие понижения температуры молекулы сближаются друг с другом, увеличивается сила притяжения молекул воды. Вокруг центральной молекулы воды группируются четыре другие таким образом, что атом водорода связан с кислородом.
Возникает тетраэдрическая структура, которая отличается самой плотной формой упаковки, и поэтому при – 4 °C вода имеет самую высокую плотность. Если ее охладить больше, то объем увеличивается до достижения температуры плавления. Важным и удивительным результатом этого является то, что лед, вода в твердой форме, легче, чем жидкая вода, поэтому плавает на водной поверхности. В противном случае внутренние озера на нашей планете медленно промерзали бы под водой. Плотность воды зависит от ее температуры, содержания солей и от давления. В морских водах значения плотности отличаются от пресных вод. Плотность будет тем выше, чем выше содержание солей. Поэтому измерение плотности в аквариуме сводится к определению содержания солей. Для морской воды содержание солей 24,7‰ играет значительную роль. Морская вода с более низким содержанием солей имеет максимум плотности, который расположен между – 1,33 и – 3,58 °C и затем уменьшается до температуры плавления. Моря с содержанием солей ниже 24,7‰ при изменении температуры ведут себя как озера с пресной водой.
При охлаждении поверхностной воды до наибольшей плотности охлажденные части объема воды из-за высокой плотности перемешаются вниз. Происходит температурная конвекция на большой поверхности. При дальнейшем охлаждении поверхностные воды становятся легче, вследствие чего конвекция подавляется. Только тонкий поверхностный слой, перемешиваемый ветром и волнением, охлаждается далее и замерзает при достижении температуры плавления. Воды с более высокой концентрацией солей не достигают максимума плотности и проявляют себя по-другому. При их охлаждении тепло передается от всего объема воды. Охлаждение замедляется. Следствие этого – мягкие зимы на побережье океанов в более высоких широтах при условии, что море не замерзает. Плотность приводится в килограммах на литр. Например, морская вода с содержанием солей 30% при температуре около 23 °C имеет плотность 1,02 кг/л. Значения плотности воды часто различаются только во втором или в третьем знаке, поэтому плотность также обозначается греческой буквой сигма, которая рассчитывается как плотность минус единица и умноженная на тысячу. Вода с плотностью 1,02 кг/л имеет значение сигмы, равное 20 (1,02 – 1 = 0,02; 0,02 х 1000 = 20)!
|
|
|
|
