Вопреки законам физики. Почему вода — это уникальное химическое соединение?

9 августа 1776 года родился итальянский химик Амедео Авогадро, впервые записавший химическую формулу воды как Н₂O. Учёные и раньше знали о том, что это не химический элемент, а соединение водорода с кислородом в определённой пропорции, а слово «водород», собственно, и означало «порождающий воду». Но дальнейшие исследования показали, что за незатейливой формулой Н₂О и структурой молекулы, имеющей симметричную V-образную форму, скрываются уникальные свойства вещества, без которого, как мы знаем, жизнь на Земле была бы невозможной.

«АиФ» популярно объясняет, в чём же заключаются необычные свойства воды и почему они не подчиняются логике законов физики.

Природный аккумулятор тепла

Молекула Н₂O — это два небольших атома водорода, присоединённые к крупному атому кислорода и образующие угол 104,45°. Такая структура отличает её от других трёхатомных молекул, где все атомы располагаются цепочкой. Это нестандартное расположение атомов и наделяет воду необычными свойствами, хотя дело не только в нём.

Во-первых, вода имеет аномально высокую теплоёмкость. Скажем, удельная теплоёмкость железа составляет 460, бетона — 880, керосина — 2140, а воды — аж 4200 Дж/(кг·°С)! Это значит, что, если вы захотите нагреть 1 килограмм воды на 1°С, вам придётся затратить значительно больше энергии, чем при аналогичном нагревании других жидкостей, да и не только их. Благодаря этому физическому свойству вода способна аккумулировать, т. е. надолго сохранять, тепло. А поскольку наше тело на две трети состоит из неё, это даёт ему возможность поддерживать температуру на одном уровне всегда — и жарким днём, и прохладной ночью. Высокая теплоёмкость воды защищает организм как от перегрева, так и от быстрого охлаждения. Будь иначе, любая тренировка и нагрузка на мышцы приводили бы к интенсивному разогреву тела и тепловому удару изнутри.

Статья по теме

Можно ли мыться в дождевой воде?

Более того, удельная теплоёмкость воды зависит от температуры, и эта зависимость имеет свой минимум. Он приходится на 37°С. Именно в районе этой отметки внутренние жидкости человека наилучшим образом регулируют процессы теплообмена и позволяют поддерживать комфортное состояние при минимуме энергетических затрат. Иначе говоря, организм находится в оптимальном энергетическом состоянии. Вот почему нормальная температура тела — это 37°С (мы привыкли к 36,6°С, но мы держим градусник под мышкой, а наши внутренние органы всегда имеют более высокую температуру).

Аномально большая теплоёмкость воды полезна не только человеку и животным, но и окружающей среде в целом. Земные водоёмы, в первую очередь Мировой океан, являясь гигантскими аккумуляторами тепла, выступают в роли природных термостатов. То есть поддерживают температуру атмосферы в удобном для нас диапазоне. Летом они защищают планету от перегрева, зимой — от переохлаждения. Именно поэтому климат в прибрежных странах мягче: близость воды предохраняет его от резких перепадов температуры, чего не скажешь о территориях, расположенных в глубине континентов.

Второе тепловое свойство воды — её высокая удельная теплота плавления. Говоря простым языком, чтобы растопить лёд, нужно затратить много энергии. По этой причине снег весной тает медленно — почва успевает впитать в себя влагу и отправить её в реки. Конечно, без паводков не обходится, но, если бы снег и лёд таяли быстрее, было бы гораздо хуже. С другой стороны, заморозить воду тоже трудно. Это её качество делает климат на планете в целом достаточно стабильным, хотя в последние десятилетия он и стал более капризным.

Турист и море. Можно ли промывать нос во время купания? Подробнее

«Плавучее одеяло» для подводного мира

О том, что вода при замерзании расширяется, мы знаем с детства. Оставьте на морозе бутылку с водой — она лопнет. Но мало кто задумывается, что благодаря этому свойству воды на Земле и зародилась жизнь.

Большинство веществ при охлаждении и замерзании уменьшаются в объёме, что приводит к увеличению их плотности. А вот вода ведёт себя иначе. Охлаждаясь, она сначала тоже становится плотнее и сжимается, но, достигнув максимальной плотности при 4°С, затем начинает расширяться. В момент замерзания она и вовсе увеличивает объём скачкообразно — более чем на 8%.

Таким образом, замёрзшая вода становится легче жидкой, поэтому лёд держится на поверхности водоёмов, а не опускается на дно. Будь иначе, реки, озёра и моря в зимние месяцы промерзали бы целиком, превращаясь в гигантские глыбы льда. А оставаясь на поверхности, лёд препятствует дальнейшему замерзанию водоёмов, играет роль «плавучего одеяла» и выполняет полезную функцию — защищает от гибели весь подводный мир, всех обитающих в нём существ. Если бы не аномальная способность воды расширяться при замерзании, возникшая на Земле жизнь, скорее всего, погибла бы при первом похолодании.

Статья по теме

Почему не горит вода?

Ещё вода — хороший растворитель, и за это чудесное свойство мы ей тоже должны сказать спасибо. Ведь благодаря этому в нашем организме протекают жизненно важные процессы: вода с растворёнными в ней компонентами твёрдых веществ становится поставщиком всех необходимых нам микроэлементов. Содержась в нашей крови и лимфе, она разносит питательные вещества по всем тканям и их клеткам.

Вода на Земле постоянно очищает саму себя: замерзая, она вытесняет из кристаллической решётки льда всё лишнее. Поэтому даже на поверхности грязной лужи будут плавать практически прозрачные льдинки. А растаяв, вода вновь начинает растворять в себе почти все твёрдые вещества, с которыми встречается и соприкасается. И это такой же циклический процесс, как её круговорот в природе.