Вы можете выпить стакан воды и вы могли бы выпить те же молекулы, которые пили Юлий Цезарь, Жанна д'Арк, Мартин Лютер Кинг. Действительно, поскольку человеческое тело на 60 процентов состоит из воды, вы можете даже выпить крошечную часть одного из этих людей! Вода - одна из самых удивительных вещей на Земле; без него не было бы жизни и наша планета была бы совершенно другим местом. Одна из поистине удивительных особенностей воды заключается в том, что она никогда не расходуется: она просто перерабатывается снова и снова, постоянно перемещаясь между растениями, животными, реками и морями на поверхности Земли и атмосферой наверху. Давайте взглянем на эту живительную жидкость и узнаем, в чем ее особенность!
Что такое вода?
Мы можем ответить на этот вопрос по-разному. Вода - это то, что смачивает окна, когда идет дождь, то, что мы пьем, когда чувствуем жажду, и то, что покрывает около 70% поверхности Земли. Но что именно?
С химической точки зрения вода - это жидкое вещество, состоящее из молекул: одна большая капля воды весом 0,1 г содержит их около 3 миллиардов триллионов (3 000 000 000 000 000 000 000)! Каждая молекула воды состоит из трех атомов : двух атомов водорода, заключенных в своего рода треугольник с одним атомом кислорода, что дает нам знаменитую химическую формулу H 2 O. Слегка несбалансированная структура молекул воды означает они притягивают и прилипают к разным веществам. Вот почему все виды веществ растворяются в воде, которую иногда называют «универсальным растворителем». Вода может даже растворять твердые породы, из которых сделана наша планета, хотя на это уходит много лет, десятилетий или даже столетий.
Большая часть воды в нашем мире представляет собой комбинацию «обычных» атомов водорода с «обычными» атомами кислорода, но на самом деле существует три разных истопа (атомные разновидности) водорода, и каждый из них может объединяться с кислородом, давая различный вид вода. Если дейтерий (водород, атомы которого содержат один нейтрон и один протон, а не только один протон) соединяется с кислородом, мы получаем нечто, называемое тяжелой водой , которая примерно на 10% тяжелее обычной воды. Точно так же тритий (водород с двумя нейтронами и одним протоном) может соединяться с кислородом с образованием сверхтяжелой воды .
У воды нет отбоя от удивительных свойств. Она бывает трех совершенно разных видов: она тяжелый, она забавно расширяется, она может взбираться по стенам и ... о, давайте узнаем больше!
Вода, лед и пар
Одна из уникальных особенностей воды в окружающем нас мире заключается в том, что она существует в трех очень разных формах (или состояниях материи, как их называют): твердом, жидком и газообразном. Обычная жидкая вода наиболее знакома нам, потому что вода является жидкостью в повседневных условиях, но мы также хорошо знакомы с твердой водой (лед) и газообразной водой (пар и водяной пар).
Преобразовать воду между этими тремя различными состояниями удивительно легко. Все, что вам нужно сделать, это изменить его температуру или давление. Возьмите немного льда и нагрейте, и вскоре у вас будет лужа с жидкой водой. Продолжайте нагревать, и вода испарится и превратится в пар. Чтобы превратить лед в воду и воду в пар, требуется огромное количество энергии, потому что вы должны физически перестроить структуру вещества в каждом случае и раздвинуть молекулы дальше друг от друга. Вот почему чайники так долго кипятят. (Есть более простой способ превратить воду из твердого вещества или жидкости в газ - просто оставить ее на открытом воздухе; постепенно более энергичные молекулы в воде будут улетучиваться и превращаться в прохладный пар над ней.)
Когда вы нагреваете воду для получения пара, наступает момент, когда вы продолжаете нагревать воду, но температура не повышается. Энергия, которую вы подаете, кажется, растворяется в воздухе, но на самом деле она раздвигает молекулы жидкой воды и превращает их в газ. В процессе эта энергия блокируется внутри пара в виде чего-то, что называется скрытой теплотой (слово «скрытая» просто означает «скрытая»). Скрытое тепло похоже на огромный запас энергии, заключенный в пару, который изобретатели прошлого использовали для питания заводских машин и транспортных средств с помощью своих могучих паровых двигателей . Подробнее читайте в нашей основной статье о тепле .
Почему вода создает давление?
Если вам когда-либо приходилось мыть машину ведрами или поливать сад , вы заметили, насколько тяжелой может быть вода. Это потому, что это относительно плотное вещество (оно упаковывает очень много массы в относительно небольшое пространство). Вода не плотная по сравнению с металлами, такими как золото, которое почти в 20 раз тяжелее по объему. Но он намного тяжелее и плотнее дерева и пластика , поэтому они будут плавать. На нем плавает что-нибудь менее плотное, чем вода; все более плотное тонет в нем.
Вес воды - это то, что вызывает увеличение давления в океанах с глубиной. Чем глубже вы погружаетесь, тем больше воды над вами, надавливающей вниз, - и это особенно усложняет задачу конструкторам подводных лодок и подводникам. Напор воды увеличивается прямо пропорционально вашей глубине, поэтому, если вы спуститесь на 100 метров, давление будет в десять раз больше, чем если вы спуститесь на 10 метров. Представьте себе, что вы идете по морскому дну, и вам на голову давит много ведер с водой. На глубине около 10 км под океаном давление равно весу полностью загруженного грузовика, давящего на площадку размером с ваши две ступни!
Почему при замерзании вода расширяется?
Все знают, что вещи становятся больше, когда они нагреваются, и сужаются, когда они остывают. Термометры показывают температуру таким образом, потому что (жидкая) металлическая ртуть внутри них расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Но вода - другое дело. Почти всегда вода расширяется, когда начинает замерзать! Этот удивительный трюк называется аномальным расширением воды - и вот как он работает.
Если вы начнете со стакана воды и охладите его, молекулы начнут сближаться и сцепляться вместе. Но при температуре около 4 ° C молекулы находятся настолько близко, насколько это возможно. Другими словами, вода достигла максимальной плотности. Если вы продолжаете охлаждать его, молекулы перестраиваются в более открытую структуру. Это означает, что лед немного менее плотный, чем замерзающая вода, и поэтому лед плавает в воде той же температуры. Это чрезвычайно важно для рыб и всех видов других речных и морских существ, поскольку это означает, что они могут выжить зимой в жидкой воде под твердым замороженным льдом.
К сожалению, люди не всегда считают аномальное расширение воды таким полезным. Если водопроводные трубы, проходящие под вашим домом, замерзнут зимой, вода внутри них превратится в лед, который занимает больше объема, в результате чего трубы лопнут, а затем протекут, когда лед растает. Почему бы нам просто не использовать более прочные трубы? Это не имело бы значения: вода расширяется с невероятной силой, когда замерзает, и даже очень толстые металлические трубы все равно лопнут!
Почему вода так долго нагревается?
Этот чайник еще не вскипел? Ну скажи ему поторопиться - я умру за чашку чая! Это может быть неприятно, если вы готовите или делаете напитки, но время, необходимое воде для поглощения тепла, очень полезно для нас и в других отношениях. Вода обладает высокой удельной теплоемкостью, а это означает, что она может удерживать или переносить больше тепла на килограмм, чем практически любое другое вещество. Вот почему мы используем воду в системах отопления, таких как радиаторы, потому что каждый литр воды, протекающей по трубам, переносит и доставляет больше тепла. Конечно, недостатком является то, что воде нужно время, чтобы нагреться в первую очередь, но, с другой стороны, вода в вашей ванне будет оставаться горячей и дольше по той же причине.
Если вам нравится плавать на открытом воздухе, высокая удельная теплоемкость объясняет, почему в некоторых частях мира моря, озера и реки не такие теплые, как вы думаете в начале лета: огромным объемам воды требуется много времени, чтобы нагреться. после холодной зимы и весны. Точно так же вода будет достаточно теплой для купания в холодных частях Европы вплоть до осени (осени), когда температура воздуха уже начала падать.
Почему насекомые могут ходить по воде?
Вы, наверное, видели насекомых, которые могут ходить по воде. Они поддерживаются своего рода невидимой «структурой» на поверхности, известной как поверхностное натяжение . Это происходит потому, что молекулы воды очень сильно притягиваются друг к другу - именно поэтому вода образует капли на окнах, а не растекается в виде идеально тонкой пленки, как масло. Представьте себе, что все капли в тазу с водой пытаются притянуть друг друга. Фактически, они «связывают руки» и образуют на поверхности невидимую кожу, достаточно прочную, чтобы выдерживать такие предметы, как иглы и лезвия бритвы, достаточно тяжелые, чтобы тонуть. Всевозможные насекомые, включая пауков, водолазов и лодочники используют поверхностное натяжение для перемещения по воде. Теоретически вы могли бы ходить и по воде, если бы вы могли распределить свой вес на достаточно большой площади, чтобы воспользоваться преимуществом поверхностного натяжения.
Как вода поднимается по трубе?
Налейте немного воды в стакан, и вы увидите, что он не образует идеально ровную поверхность: он на самом деле немного поднимается по краям, образуя изогнутую вниз поверхность, называемую вогнутым мениском . Чем тоньше вы сделаете стакан (то есть чем меньше его диаметр), тем сильнее будет подниматься вода. Налейте воду в узкую стеклянную палочку, и вы сможете заставить ее подняться на довольно большое расстояние. Это известно как капиллярное действие или капиллярность . Это то, как кровь движется по нашим венам и как вода всасывается через стебли растений и деревьев. Капиллярность помогает большому дубу всасывать около 380 литров воды каждый день!
Почему вода ?
Что заставляет воду делать все это? На самом деле так устроены атомы водорода и кислорода внутри молекул воды. Они образуют своего рода треугольник с двумя маленькими атомами водорода с одной стороны и гораздо большим атомом кислорода с другой. Это создает дисбаланс в электронах, которые разделяются молекулами в связях, которые удерживают их вместе, в результате чего кислородный конец каждой молекулы воды слегка отрицательно заряжен, а водородный конец - слегка положительно заряжен. Мы говорим, что молекулы воды полярны : как магнит, у них есть два разных конца или полюса. Положительный водородный конец одной молекулы воды будет притягиваться к отрицательному, кислородному концам других молекул воды. Это то, что заставляет молекулы воды слипаться уникальным образом - и это, в свою очередь, объясняет все их свойства, от аномального расширения и поверхностного натяжения до высокой плотности и удельной теплоемкости.
Вода в нашем мире
Так большая часть Земли покрыта водой, что планету можно легко назвать Водой или Океаном. Помимо воды на поверхности (в океанах, реках, озерах и ручьях), существует также огромное количество воды, циркулирующей в атмосфере (в облаках, тумане и тумане), и еще много других, заключенных в скалистых подземных резервуарах, называемых водоносными горизонтами. . Вода Земли - возможно, ее самая уникальная особенность - образовалась после Большого взрыва (взрыва, который создал Вселенную около 13,7 миллиарда лет назад). Около 4,6 миллиарда лет назад, когда была создана наша солнечная система, смесь атомов водорода и кислорода объединилась, чтобы образовать облака горячего пара, которые в конечном итоге остыли, образуя воду, которая упала на Землю в виде дождя, сформировала океаны и разделила континенты на части. форма.
Вода для жизни
Жизнь на Земле зародилась примерно миллиард лет спустя (3,6 миллиарда лет назад), первоначально в океанах. Хотя многие виды сейчас живут на суше, им все еще нужна вода для жизни и роста: люди, например, могут обходиться без еды около двух месяцев, но мы бы умерли от жажды, если бы не пили больше недели или около того. . Обычно, чтобы выжить, нам нужно как минимум 2 литра воды в день, хотя большую часть этого мы получаем от того, что едим, а также от того, что пьем. Яйца, например, на три четверти состоят из воды, а фрукты, такие как апельсины и дыни, на 90 процентов состоят из воды.
Мы выпиваем только около 1 процента воды, которую потребляем каждый день, а остальные 99 процентов (около 250 литров в день) используем для кормления таких вещей, как ванны, душевые , стиральные машины , оросители газонов и садов, шланги для мытья автомобилей и туалеты со смывом. . Одежды стиральная машина может легко использовать более 100 литров в час, несколько раз полоскать белье , чтобы удалить моющее средство . Многие продукты, которые мы обычно никогда не ассоциируем с водой, потребляют огромное количество драгоценной жидкости при их производстве. Например, для изготовления толстой воскресной газеты уходит около 570 литров воды.
Людям в развивающихся странах, многие из которых не имеют доступа к проточной воде, все это может показаться невероятно расточительным. По мере того как население Земли растет и каждому человеку требуется все больше и больше воды, давление на водные ресурсы нашей планеты также будет расти. Теоретически на планете, покрытой водой, запасы никогда не должны заканчиваться, но большая часть воды на Земле соленая и непригодна для питья. Превратить ее в пригодную для использования пресную воду означает использовать дорогостоящие энергоемкие опреснительные установки. Растущее давление на воду заставило некоторых политиков предположить, что войны могут вестись из-за нехватки воды до конца 21 века.
Круговорот воды
Много говорят о переработке, чтобы помочь окружающей среде, но вода - это то, что мы перерабатываем, даже не задумываясь об этом. Каждый раз, когда мы спускаем воду в туалете или опорожняем таз для мытья посуды в канализацию, использованная вода уходит в канализационные трубы, проходит через канализацию и канализацию и снова появляется (надеюсь) в наших реках и морях как новая. . По общему признанию, загрязнение воды по-прежнему является очень серьезной проблемой, но мы можем рассчитывать на то, что вода будет постоянно циркулировать между поверхностью Земли и атмосферой наверху в бесконечном круговороте воды. Вода циркулирует вокруг нашей планеты миллиарды лет - и в ближайшее время не остановится!
Краткая история воды
· 4,6 миллиарда лет назад: сформировались запасы воды на Земле.
· 3,6 миллиарда лет назад: вода позволяет зародиться на Земле.
· Доисторические времена: люди живут кочевниками, постоянно перемещаясь между местами, где много воды и еды. Рядом с реками и водными системами вырастают первые постоянные поселения, которые могут обеспечить постоянное водоснабжение.
· ~ 4000 г. до н. Э .: В Месопотамии изобретено орошение (технология для обеспечения постоянной подачи воды для выращивания сельскохозяйственных культур).
· Древнегреческий философ Фалес Милетский (624–546 гг. До н. Э.) Считает воду самым основным строительным блоком материи. Аристотель , другой греческий философ, рассматривает воду как один из четырех основных элементов (Земля, воздух, огонь, вода).
· ~ 300 г. до н. Э .: Древние римляне открыли акведуки для снабжения водой своей империи.
· 1582: Первые современные гидротехнические сооружения построены в Лондоне, Англия.
· 1652: Первые гидротехнические сооружения построены в Северной Америке в Бостоне, штат Массачусетс.
· 1781: Английский ученый Генри Кавендиш (1731–1810) создает воду из «легковоспламеняющегося воздуха», водорода и «дефлогистированного воздуха» (кислородного воздуха).
· 1783 год: французский химик Антуан Лавуазье (1743–1794) показывает, что вода представляет собой соединение, состоящее из водорода и кислорода.
· 1804: француз Жозеф Луи Гей-Люссак (1778–1850) и немец Александр фон Гумбольдт (1769–1859) показывают, что водород соединяется с кислородом в соотношении два к одному, как в современной формуле H 2 O.
· 1932: американский химик Гарольд Юри (1893–1981) обнаруживает дейтерий и показывает, что он присутствует в обычной воде в крошечных количествах.
· 1957: Первая в мире опреснительная установка (производящая пресную воду путем удаления соли из морской воды) начинает работать в Кувейте.
· 1951: Американский химик Аристид В. Гроссе (1905–1985) обнаруживает тритий в обычной воде.
· 2008: НАСА обнаруживает воду на Марсе.