Преподаватели ГПОУ ТО «АХТТ» Пронина И.А.

Селин И.И.

Новые научные взгляды на воду, лед, град, снег.

(практические исследования и научные взгляды на воду, лед, град, снег)

Жизнь – это одушевленная вода.

Леонардо да Винчи...

Во

все

времена

поселения

людей

и

размещение

промышленных

объектов

организовывались

в

непосредственной

близости

от

водоемов,

используемых

для

питьевых,

гигиенических,

сельскохозяйственных

и

производственных целей. Вода является одним из самых распространенных

ингредиентов на Земле. Это имеет большое значение в эволюции как живой,

так и безжизненной природы. В природе циркуляция воды происходит на

регулярной основе, ведущий к вечной защите флоры и фауны.

Вода

–

весьма

распространенное

на

Земле

вещество.

Почти

¾

поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки и

озера. Много воды находится в виде огромных масс снега и льда лежит она

круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли

также находится вода, пропитывающая почву и горные породы.

Следует отметить, что вода - самое странное и чудесное вещество

Вселенной, которое сильно отличается от всех существующих предметов со

своими аномальными физическими и химическими свойствами. Необходимо

показать аномальные свойства воды по этому вопросу:

1.

Вода – единственное химическое соединение, которое в природе

может

находиться

в

жидком,

твердом

и

газообразном

состояниях

одновременно.

2.

При нагревании воды от 0 до +4 ° C, ее объем уменьшается, и она

имеет максимальную плотность при +4 ° C (на самом деле +3,98

o

C).

3.

А

при

замерзании

воды,

плотность

уменьшается,

так

как

структура ее расширяется в отличие от других жидкостей. Аномалия здесь

заключается в том, что лед легче, чем воды и это имеет большое значение на

поверхности Земли. Если лед был бы тяжелее воды, то все живые существа,

обитаемые в воде, не существовали бы. Напротив, лед покрывает верхний

слой воды, защищает живых существ от замерзания и холода

4.

Вода имеет очень высокую удельную теплоемкость и постоянные

температуры

плавления

и

испарения.

Такая

исключительная

роль

воды

проявляется в смягчении климата. Вода не сильно нагревается, когда она

получает много тепла от солнца.

5.

Наибольшее

отношение

поверхностного

натяжения

жидкости

(кроме

ртути

-

436

эрг

∙

см

2

)

составляет

вода

-

75

эрг∙см

2

.

Высокое

поверхностное натяжение позволяет воде легко впитываться при контакте с

другими твердыми веществами.

6.

Вода имеет самую высокую диэлектрическую проницаемость по

сравнению

с

другими

жидкостями.

Физическая

сущность

этого

термина

заключается

в

том,

что

силы

взаимодействия

заряженных

частиц

уменьшаются

в

воде

относительно

вакуума.

В

нормальных

условиях

диэлектрическая проницаемость воды равна 81. Природная вода состоит из

смеси различных минеральных веществ (в основном растворимых солей), что

очень полезно для жизни и деятельности всех живых существ. В конце

концов,

живой

организм

получает

необходимые

ему

неорганические

элементы в ионном виде (Na +, K +, Ca ++, Mg ++, Fe +++, Cl

⁻

, F

⁻

, J

⁻

и т. Д.)

из воды.

7.

Температура замерзания воды уменьшается, а не увеличивается

по мере увеличения атмосферного давления.

Все перечисленные аномалии указывают на необычное свойство воду. Но как

объяснять эти признаки?

Для объяснения аномальных свойств воды в жидком состоянии созданы

различные

модели

ее

структуры:

кристаллическое

вещество,

жидкий

кристалл,

хаотичное

или

регулярное

пространственное

расположение

молекул воды в жидком состоянии - все они доказаны экспериментально.

Если

соединить

прямыми

линиями

эпицентры

положительных

и

отрицательных

зарядов

получится

объемная

геометрическая

фигура

—

правильный

тетраэдр.

Таково

строение

самой

молекулы

воды.

Благодаря

наличию водородных связей каждая молекула воды образует водородную

связь с 4-мя соседними молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас в

молекуле льда. Именно такое упорядоченное состояние молекул воды можно

назвать «структурой». Каждая молекула может одновременно образовывать

четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными

углами, равными 109°28′, направленных к вершинам тетраэдра, которые не

позволяют при замерзании создавать плотную структуру.

Когда

лёд

плавится,

его

тетрагональная

структура

разрушается

и

образуется смесь полимеров, состоящая из три-, тетра-, пента-, и гексамеров

воды и свободных молекул воды.

В

жидком

состоянии

вода

–

неупорядоченная

жидкость.

Эти

водородные

связи

—

спонтанные,

короткоживущие,

быстро

рвутся

и

образуются вновь.

Группируясь,

тетраэдры

молекул

воды

образуют

разнообразные

пространственные и плоскостные структуры.

И

из

всего

многообразия

структур

в

природе

базовой

является

гексагональная

(шестигранная)

структура,

когда

шесть

молекул

воды

(тетраэдров) объединяются в кольцо.

Такой тип структуры характерен для льда, снега и талой воды, которую

из-за

наличия

такой

структуры,

называют

«Структурированной

водой».

Логично будет, что структурированная вода — образующая гексагональные

структуры

является

наихудшим

вариантом

структуры

воды,

которую

возможно

использовать

для

разложения

на

водород

и

кислород.

Поясню

почему:

Молекулы

воды,

группируясь

по

шесть

в

гексамер,

имеют

электронейтральный

состав

—

у

гексамеров

нет

положительных

и

отрицательных полюсов. Если поместить гексамер структурированной воды в

электрическое поле, то он не будет никак на него реагировать. Поэтому

логически можно заключить, что необходимо, чтобы в воде было как можно

меньше организованных структур. На самом деле, всё наоборот, гексамер —

это не завершённая структура, есть ещё более интересное понятие — кластер.

Кластерная

форма

указывает

на

пустое

пространство

внутри

него.

Поскольку кластерная форма более распространена во льду, чем в жидкой

фазе, ее аномальное расширение объема также объясняется этим. Поэтому,

при

таянии

льда,

из-за

перехода

отделившихся

молекул

воды

вовнутрь

кластеров уменьшается объем. Количество водяного пара в воздухе 1 м3

указывает

абсолютную

влажность

воздуха.

Количество

влаги

зависит

от

температуры воздуха, так как горячий воздух охотно поглощает водяной пар

относительно холодной погоды. Если воздух не может поглотить водяной

пар, то принимается насыщенный водяной пар. Относительная влажность

воздуха

—

это

отношение

его

текущей

абсолютной

влажности

к

максимальной абсолютной влажности при данной температуре.

Поскольку

метеорологи

нередко

подтверждают:…

град

выпадает

обычно

при

сильных

грозах

в

тёплое

время

года,

когда

температура

у

поверхности Земли не ниже 20 °C”, тем не менее, не указывают причину

этого явления. Естественно, спрашивается: в чем заключается эффект грозы?

Град почти всегда выпадает перед ливнем или одновременно с ним и

никогда после него. Он выпадает большею частью в летнее время и днём.

Град

ночью

—

явление

весьма

редкое.

Средняя

продолжительность

градобития — от 5 до 20 минут. Град как обычно, происходит на то место, где

происходит сильный разряд молнии и всегда связан с грозой. Без грозы града

не бывает!

Имеется ряд сравнительно новых научных исследований, посвящённых

вопросам

механизма

образования

града.

В

частности,

утверждают,

что

история

образования

града

отражена

в

его

структуре:

крупная

градина,

разрезанная пополам, подобна луковице: она состоит из нескольких слоёв

льда. Иногда градины напоминают слоёный пирог, где чередуются лёд и снег.

И этому есть своё объяснение – по таким слоям можно вычислить, сколько

раз

кусочек

льда

совершал

странствие

из

дождевых

облаков

в

переохлаждённые слои атмосферы. Трудно верить: град с весом 1-2 кг может

ли перепрыгнуть ещё наверх до расстояния 2-3 км? Многослойность льда

(градины)

может

появиться

по

разным

причинам.

Например,

разность

давления окружающей среды станет причиной такого феномена. И, вообще,

причём здесь снег? Это разве снег?

Анализ мировой литературы показывает, что в этой области науки

имеется много недостатков и нередко спекуляций.

Чем

обусловлена

мутность

в

структуре

градины?

Считаю:

«чтобы

носить по воздуху градину диаметром около 10 сантиметров, восходящие

струи воздуха в грозовой туче должны иметь скорость не меньше 200 км/ч, и

таким образом, в него включаются снежинки и пузырьки воздуха. Такой слой

выглядит мутным. Но если температура выше, то лёд намерзает медленнее, и

включённые снежинки успевают растаять, а воздух улетучивается. Поэтому

такой слой льда прозрачный. По кольцам можно проследить, в каких слоях

облака

побывала

градина,

прежде

чем

упасть

на

землю».

Почти

каждая

градина состоит из чистого и в центре мутного льда. Непрозрачность льда

может

вызываться

по

разным

причинам.

В

больших

градинах

иногда

чередуются слои прозрачного и непрозрачного льда. На наш взгляд, белый

слой отвечает аморфную, а прозрачный слой кристаллическую форму льда. К

тому же, аморфная агрегатная форма льда получают путём чрезвычайно

быстрого охлаждения жидкой воды (со скоростью порядка 107 в секунду), а

также, быстрого повышения давления окружающей среды, так что молекулы

не успевают сформировать кристаллическую решётку.

Ледяные снежинки в облаке образуются при -15 градусах вследствие

перехода водяного пара в твердое состояние. Основой для формирования

снежинок являются мелкие частицы пыли или микроскопические льдинки,

которые

служат

ядром

для

конденсации

на

них

молекулы

воды.

Ядро

кристаллизации - это то, с чего начинается образование снежинок.

Все

больше

и

больше

молекул

воды

присоединяются

к

растущей

снежинке

в

определенных

местах,

придавая

ей

отчетливую

форму

шестигранника. Разгадка структуры твердой воды кроется в строении ее

молекулы, которую можно упрощенно представить себе в виде тетраэдра -

пирамиды с треугольным основанием в которой возможны углы лишь в 60° и

120°. В центре находится кислород, в двух вершинах — по водороду, точнее

— протону, электроны которых задействованы в образовании ковалентной

связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных

электронов

кислорода,

которые

не

участвуют

в

о б р а зо ва н и и

внутримолекулярных связей, отчего их называют не поделёнными. Снежинка

— это монокристалл льда, вариация на тему гексагонального кристалла, но

выросшего быстро, в неравновесных условиях. В одних условиях ледяные

шестигранники

усиленно

растут

вдоль

своей

оси,

и

тогда

образуются

снежинки

вытянутой

формы

—

снежинка-столбики,

снежинки-иглы.

В

других условиях шестигранники растут преимущественно в направлениях,

перпендикулярных

к

их

оси,

и

тогда

образуются

снежинки

в

виде

шестиугольных

пластинок

или

шестиугольных

звездочек.

К

падающей

снежинке может примерзнуть капелька воды — в результате образуются

снежинки неправильной формы. Распространенное мнение, будто снежинки

обязательно

имеют

вид

шестиугольных

звездочек,

является

ошибочным.

Формы снежинок оказываются весьма разнообразными.

Существует еще одна тайна, присущая строению снежинки. В ней

порядок и хаос сосуществуют вместе. В зависимости от условий получения

твердое

тело

должно

находиться

либо

в

кристаллическом

(когда

атомы

упорядочены), либо в аморфном (когда атомы образуют случайную сетку)

состоянии. Снежинки же имеют гексагональную решетку, в которой атомы

кислорода выстроены упорядочено, образуя правильные шестиугольники, а

атомы

водорода

расположены

хаотично.

Однако

связь

между

структурой

кристаллической решетки и формой снежинки, которая больше молекулы

воды

в

десять

миллионов

раз,

неочевидна:

если

бы

молекулы

воды

присоединялись

к

кристаллу

в

случайном

порядке,

форма

снежинки

получилась бы неправильной. Все дело в ориентации молекул в решетке и

расположении

свободных

водородных

связей,

которое

способствует

образованию

ровных

граней.

Молекулы

водяного

пара

с

большей

вероятностью

заполняют

пустоты,

нежели

пристают

к

ровным

граням,

потому

что

пустоты

содержат

больше

свободных

водородных

связей.

В

результате снежинки принимают форму правильных шестиугольных призм с

ровными

гранями.

Такие

призмы

падают

с

неба,

при

сравнительно

небольшой влажности воздуха в самых разных температурных условиях.

Образующий снежинку лед прозрачен, но когда их много, солнечный свет,

отражаясь

и

рассеиваясь

на

многочисленных

гранях,

создает

у

нас

впечатление белой непрозрачной массы — мы называем ее снегом. Снежинка

белая, потому что вода очень хорошо поглощает красную и инфракрасную

часть светового спектра. Замерзшая вода во многом сохраняет свойства воды

жидкой. Солнечный свет, проходя сквозь слой снега или льда, теряет красные

и желтые лучи, которые рассеиваются и поглощаются в нем, а насквозь

проходит свет голубовато-зеленый, голубой или ярко-синий — в зависимости

о т

т о г о ,

к а к о й

т о л щ и н ы

с л о й

б ы л

н а

п у т и

у

с в е т а .

Таким образом, физико-химические характеристики мономерной воды еще

неизвестно. Свойства воды в основном зависят от водородных связей. Из-за

большой

разности

электроотрицательности

атомов

водорода

и

кислорода

электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По причине этого,

а также того, что ион водорода не имеет внутренних электронных слоев и

обладает малыми размерами, он может проникать в электронную оболочку

отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. Благодаря этому

каждый атом кислорода притягивается к атомам водорода других молекул и

наоборот.

Причиной

формирования

града

является

генерация

мгновенного

и

огромного количества тепла при разряде молнии в кучево-дождевых облаках.

Образующееся такое могучее тепло приводит к сильному испарению воды в

канале разряда молнии и вокруг него. Сильное испарение воды совершается

быстрым похолоданием ее и образованием льда соответственно. Процесс, по

существу,

близок

к

адиабатическому

процессу,

поскольку

образующаяся

тепловая энергия не вводятся в систему извне, и она исходит из самой

системы.

Этот процесс не требует необходимости перехода нулевой изотермы

атмосферы, имеющей отрицательную температуру, и легко может произойти

при низких и тёплых слоях тропосферы.

Список литературы:

1. Хучунаев, Б. М. Микрофизика зарождения и предотвращения града. Дисс.

на соискание уч. степ. доктора физико-математических наук. Нальчик, 2018,

289 с.

2. Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира. Монография. Т. II. Краснодар

2009, 450

3 . Эйзенберг Д., Кауцман В., Структура и свойства воды, пер. с англ., Л.,

1975. 280 c/

4 . Тлисов

М.

И.

Физические

характеристики

града

и

механизмы

его

образования. Гидрометеоиздать, 2002 – 385

5. Ивчатов А.Л., Малов В.И. Химия воды и микробиология 2006,217с с.

6. Кульский Л.А., Даль В.В., Ленчина Л.Г. Вода знакомая и загадочная.. Киев.

Радянська школа, 1982, 120

7. Железняк Г.В., Козка А.В. Загадочные явления природы. Кн. клуб, Харьков,

2017, 180 с