Водата е живот: под строй и в танц

10 ноември 2017 г., 13:40
247

Учени откриха как се организират молекулите на течността. Снимка: Shutterstock

Няма по-изтъркано, макар и вярно клише от това в заглавието. Но малцина се замислят за причините, поради които тази уникална течност наистина представлява неотменима част от химията и физиката на живия свят.

Никой не би изтърпял да му обясняват какво е вода, но надали са много хората, които знаят, че тя се отличава по 66 начина от „нормалните” течности. На първо място е нейната странно изменяща се плътност при различни температури, голяма топлоемкост и високо повърхностно напрежение. Тези качества сами по себе си вече са основа за нейната незаменимост за живота такъв, какъвто го познаваме.

От ранна детска възраст знаем, че при охлаждане водата намалява обема си. Но при 4 °С (по-точно - при 3,98 °С) настъпва кризисно състояние - структурнo преустройство, и при по-нататъшно понижаване на температурата обемът на водата вече не намалява, а се увеличава. При охлаждaне при нормални условия под 0 °С водата кристализира, превръщайки се в лед, чиято плътност е по-малка, а обемът почти 10% по-голям от този на течната вода, от която е образуван.

Увеличението на обема се обяснява с това, че всяка молекула в структурата на леда е свързана с водородни връзки с четири други молекули. Така се формира ажурна конструкция с "кухини" между фиксираните молекули вода, което води до значително разширяване на цялата замръзнала маса. Ето защо ледът

пука стоманените водопроводни тръби,

ако бъдат оставени да замръзнат. Но същият този лед през зимата спасява всичко живо, населяващо водоемите.

Ето как става това. Охладен до 4 °С и достигнал максимална плътност, горният слой на водата пада на дъното, като донася кислород за обитателите и осигурява равномерно разпределение на хранителните вещества. Издигналите се на повърхността по-топли слоеве се уплътняват при контакта си с въздуха, охлаждат се до 4 °С и на свой ред се спускат надолу. Това "разбъркване" става дотогава, докато температурата на всички равнища не се изравни. Тогава спира циркулацията и езерото започва да се покрива със слой от плаващ лед, тъй като само при водата твърдото агрегатно състояние е по-леко от течното.

От този момент започва подреждане на взаимното положение на водните молекули, формира се характерната за леда шестоъгълна структура на кристалите му. Благодарение на обемната си кристална структура той остава на повърхността и тъй като топлопроводимостта му е много по-малка от тази на течната вода, той предпазва дълбините на водоема от замръзване. Именно поради това в реките, моретата и океаните въобще е възможeн живот. В противен случай всички води през зимата ще представляват огромен леден блок и всичко живо в него би замръзнало до смърт.

Структурният преход

"лед-вода" също е любопитен. В процеса на топене при 0 °С около 10-15% от водата се откъсва от връзките на ледената структура, повишава се подвижността им и те се потапят в споменатите структурни кухини на леда. Това обяснява и сгъстяването на леда при топене - по-голямата (с около 10%) плътност на образуващата се вода. Плътността на водата достига споменатия си максимум при 4 °С, а с по-нататъшно увеличаване на температурата закономерното разширяване на водата поради засиленото движение на молекулите й превишава ефекта от преструктурирането на леда във вода и плътността на водата бавно започва да намалява.

Страници

Ключови думи:
Коментари