Вода має життєво важливе значення для людей та інших живих істот на нашій планеті. Ще зі школи ми дізнаємось хімічну формулу та агрегатні стани води, від яких у великій мірі залежать її властивості.
Що таке агрегатний стан води?
Вода може перебувати в тому чи іншому агрегатному стані залежно від особливостей водневих зв’язків. Останні утворюються спочатку між одними молекулами, а потім руйнуються та утворюються вже між іншими. Особливості кисню та водню, а також їх просторове розміщення дозволяє одній молекулі воді сполучатися з чотирма іншими. Попри те, що властивості води в різних станах змінюються, її хімічний склад залишається сталим.
Які є агрегатні стани?
Наступні три агрегатні стани вважаються основними:
1. Рідкий. Вода у рідкому стані — це найбільш поширена варіація на нашій планеті. Аби дана речовина залишалась рідкою, необхідні певні умови: температура від 0°C до 100°C та визначений тиск. Рух та розміщення молекул у рідкому стані дозволяє воді тримати об’єм, але не форму.
2. Твердий. Вода в твердому стані — це кристалики льоду, водневі зв’язки в яких більш стійкі, ніж в рідині та парі. Щоб вода з рідкої перетворилася на тверду, необхідна температура від нуля і нижче, а також певне значення атмосферного тиску (760 мм).
3. Газоподібний стан води. У даному стані вода являє собою пару. Щоб перейти з рідкого стану в газоподібний, вода повинна нагрітися до 100°C і закипіти. Під час кипіння рідина поступово перетворюється на пару. Однак варто зазначити, що вода може ставати парою і за нижчих температур. Ми не завжди можемо бачити це, але вода постійно змінює форму та обсяги газоподібної пари.
Ми перелічили три основні агрегатні стани води, але буває ще й четвертий, який називають гідроплазмою або просто плазмою. В такий стан вода переходить із водяної пари, якщо нагрівається до високих температур (2200-13900°C). Під час нагріву молекули речовини розпадаються, утворюючи суміш із атомів водню та кисню, схожу на плазму.
Процеси переходу води в різні агрегатні стани
Можна виділити шість процесів, за допомогою яких вода може переходити з одного стану в інший:
1. Кипіння й утворення пари. Для переходу з рідкого стану в газоподібний вода повинна нагрітися до 100°C і закипіти. Даний процес супроводжується бурлінням, яке свідчить про кипіння та пароутворення.
2. Конденсація. Коли водяна пара втрачає тепло, вона знову переходить у рідкий стан. Саме це відбувається у ванній кімнаті, коли дзеркало «запотіває»: на його холодній поверхні конденсується водяна пара і перетворюється на рідину.
3. Кристалізація. Щоб перейти з рідкого стану в твердий, вода повинна охолонути до температури нижче 0°C. Вода у твердому стані — це кристалики льоду, які формують сніжинки, іній або кригу. Сам процес кристалізації можна спостерігати у домашньому холодильнику.
4. Плавлення або танення. Коли вода у твердому стані нагрівається, вона починає плавитись (танути), перетворюючись на рідину. Побачити цей процес можна у власному кухлі з напоєм, додавши туди кубик льоду.
5. Сублімація. Даний процес передбачає перехід газоподібної водяної пари в твердий стан води — сніг або лід. Найчастіше таке буває на вершинах гір, де існують специфічні температурні умови та атмосферний тиск.
6. Десублімація. В такому випадку вода з твердого стану відразу переходить у газоподібний. Тобто сніжинка може не розтанути, а просто випаруватись. Таке може відбуватись у дуже посушливих місцях, наприклад, у полярній тундрі чи в горах, де сонячна радіація одразу перетворює лід на пару.
Щоб змінити агрегатний стан води питної, необхідно змінити її температуру. Перехід відбувається за температури 0°C та 100°C за умови, що атмосферний тиск досягає 760 мм. (Зниження температури до 0°C і нижче перетворює воду на лід, а нагрів вище 100°C — на пару).
Атмосферний тиск також має значення для зміни агрегатного стану води — це треба враховувати. Наприклад, високо в горах, де тиск досить низький, температура кипіння теж зменшується. Цікаво, що коли вода перетворюється на лід, її обсяг збільшується у порівнянні з рідким станом.
Властивості агрегатних станів води
Розглядаючи різні стани води, варто зупинитись на найбільш важливому — рідкому. Вода агрегатний стан рідкий — це універсальний розчинник для великої кількості речовин, а також незамінний компонент організмів живих істот і середовище для здійснення хімічних процесів.
Рідкий стан води передбачає ще два додаткових стани — звичайний та аномальний. Чому вода називається аномальною? Така речовина може утворюватися за температури -63°С, перебуваючи в наступних станах:
Ці рідкі речовини відрізняються за густиною на цілих 20%, що не дозволяє їм змішуватись. Виникає логічне питання, як учені дізнались про ці стани води, якщо за низької температури вона має перетворюватись на лід?
Для досліджень використовувалось спеціальне обладнання — інфрачервоний лазер та рентген. Спочатку лід нагрівали інфрачервоним лазером, утворюючи рідку речовину з високою щільністю, а тиск залишали високим. За допомогою рентгенівського лазера вчені спостерігали за процесом і помітили бульбашки аномальної води, які з’явились на кілька мілісекунд.
Чи є в таких дослідженнях практичний зміст? Перш за все, вони доводять, що про воду нам відомо далеко не все, а її властивості — це таємниця, яка потребує ретельного вивчення.
Висновки
Основні агрегатні стани води — рідкий, твердий та газоподібний, але крім цього, вода може перебувати в стані гідроплазми, а рідина — бути звичайною або аномальною. Від стану води у великій мірі залежать її властивості, які ми використовуємо у побуті, господарській діяльності, науці тощо.
