Вода имеет жизненно важное значение для людей и других живых существ на нашей планете. Еще со школы мы узнаем химическую формулу и агрегатные состояния воды, от которых в большой степени зависят ее свойства.
Что такое агрегатное состояние воды?
Вода может находиться в том или ином агрегатном состоянии в зависимости от особенностей водородных связей. Последние образуются сначала между одними молекулами, а затем разрушаются и образуются уже между другими. Особенности кислорода и водорода, а также их пространственное размещение позволяет одной молекуле воды соединяться с четырьмя другими. Несмотря на то, что свойства воды в разных состояниях меняются, ее химический состав остается постоянным.
Какие есть агрегатные состояния?
Следующие три агрегатных состояния считаются основными:
1. Жидкое. Вода в жидком состоянии — это наиболее распространенная вариация на нашей планете. Чтобы данное вещество оставалось жидким, необходимы определенные условия: температура от 0°C до 100°C и определенное давление. Движение и размещение молекул в жидком состоянии позволяет воде держать объем, но не форму.
2. Твердое состояние. Вода в твердом состоянии — это кристаллики льда, водородные связи в которых более устойчивы, чем в жидкости и паре. Чтобы вода из жидкой превратилась в твердую, необходима температура от нуля и ниже, а также определенное значение атмосферного давления (760 мм).
3. Газообразное состояние воды. В данном состоянии вода представляет собой пар. Чтобы перейти из жидкого положения в газообразное, вода должна нагреться до 100°C и закипеть. Во время кипения жидкость постепенно превращается в пар. Однако стоит отметить, что вода может становиться паром и при более низких температурах. Мы не всегда можем видеть это, но вода постоянно меняет форму и объемы газообразного пара.
Мы перечислили три основных агрегатных состояния воды, но бывает еще и четвертое, которое называют гидроплазмой или просто плазмой. В такое состояние вода переходит из водяного пара, если нагревается до высоких температур (2200-13900°C). При нагревании молекулы вещества распадаются, образуя смесь из атомов водорода и кислорода, похожую на плазму.
Процессы перехода воды в различные агрегатные состояния
Можно выделить шесть процессов, с помощью которых вода может переходить из одного состояния в другое.
1. Кипение и образование пара. Для перехода из жидкого состояния в газообразное, вода должна нагреться до 100°C и закипеть. Данный процесс сопровождается бурлением, которое свидетельствует о кипении и парообразовании.
2. Конденсация. Когда водяной пар теряет тепло, он снова переходит в жидкое состояние. Именно это происходит в ванной комнате, когда зеркало «запотевает»: на его холодной поверхности конденсируется водяной пар и превращается в жидкость.
3. Кристаллизация. Чтобы перейти из жидкого состояния в твердое, вода должна остыть до температуры ниже 0°C. Вода в твердом состоянии — это кристаллики льда, которые формируют снежинки, иней или лед. Сам процесс кристаллизации можно наблюдать в домашнем холодильнике.
4. Плавление или таяние. Когда вода в твердом состоянии нагревается, она начинает плавиться (таять), превращаясь в жидкость. Увидеть этот процесс можно в собственной кружке с напитком, добавив туда кубик льда.
5. Сублимация. Данный процесс предполагает переход газообразного водяного пара в твердое состояние воды — снег или лед. Чаще всего такое бывает на вершинах гор, где существуют специфические температурные условия и атмосферное давление.
6. Десублимация. В таком случае вода из твердого состояния сразу переходит в газообразное. То есть снежинка может не растаять, а просто испариться. Такое может происходить в очень засушливых местах, например, в полярной тундре или в горах, где солнечная радиация сразу превращает лед в пар.
Чтобы изменить агрегатное состояние воды питьевой, необходимо изменить ее температуру. Переход происходит при температуре 0°C и 100°C при условии, что атмосферное давление достигает 760 мм. (Снижение температуры до 0°C и ниже превращает воду в лед, а нагрев выше 100°C — в пар).
Атмосферное давление также имеет значение для изменения агрегатного состояния воды — это надо учитывать. Например, высоко в горах, где давление достаточно низкое, температура кипения тоже уменьшается. Интересно, что когда вода превращается в лед, ее объем увеличивается по сравнению с жидким состоянием.
Свойства агрегатных состояний воды
Рассматривая различные состояния воды, стоит остановиться на наиболее важном — жидком. Вода агрегатное состояние жидкое — это универсальный растворитель для большого количества веществ, а также незаменимый компонент организмов живых существ и среда для осуществления химических процессов.
Жидкое состояние воды предусматривает еще два дополнительных состояния — обычное и аномальное. Почему вода называется аномальной? Такое вещество может образовываться при температуре -63°С, находясь в следующих состояниях:
Эти жидкие вещества отличаются по плотности на целых 20%, что не позволяет им смешиваться. Возникает логичный вопрос, как ученые узнали об этих состояниях воды, если при низкой температуре она должна превращаться в лед?
Для исследований использовалось специальное оборудование — инфракрасный лазер и рентген. Сначала лед нагревали инфракрасным лазером, образуя жидкое вещество с высокой плотностью, а давление оставляли высоким. С помощью рентгеновского лазера ученые наблюдали за процессом и заметили пузырьки аномальной воды, которые появились на несколько миллисекунд.
Есть ли в таких исследованиях практический смысл? Первоначально, они доказывают, что о воде известно далеко не все, а ее свойства — это тайна, которая требует тщательного изучения.
Выводы
Основные агрегатные состояния воды — жидкое, твердое и газообразное, но кроме этого, может находиться в состоянии гидроплазмы, а жидкость — быть обычной или аномальной. От ее состояния в большой степени зависят свойства, которые мы используем в быту, хозяйственной деятельности, науке и т.д.
