Дивовижні і дивні властивості води
"Немає нічого м'якше і слабкіше води, і немає нічого, що б перевершувало її в руйнівною атаці на все жорстке і сильне". Китайський мудрець Лао-Цзи саме так її охарактеризував в одному зі своїх давніх текстів. Справді, здатність води пом'якшувати, живити і омивати контрастує з її грубою силою, яка проявляється, наприклад, на Ніагарському водоспаді або під час цунамі.
Також парадоксально, що вода добре знайома нам (з неї на дві третини складається наше тіло і на три чверті наша планета) і в той же час надзвичайно загадкова. Незважаючи на те, що ви багато про неї знаєте, багато хто з її властивостей можуть вас здивувати. Інші ж є настільки дивними, що до сих пір вислизають від наукового розуміння.
Гаряча вода швидше замерзає
Звичайна людина, виходячи з принципів логіки, може подумати, що для того, щоб замерзнути гарячій воді потрібно більше часу, ніж холодної. Але як не дивно, це якраз не той випадок. Ця особливість води була вперше виявлена танзанійським студентом Ераста Мпемби (Erasto Mpemba) в 1963 році. Він виявив, що під впливом однаково низьких температур, гаряча вода дійсно замерзає швидше холодної.
І ніхто не знає чому. Одне з можливих пояснень полягає в тому, що ефект Мпемби - це результат процесу циркуляції тепла під назвою конвекція. У посудині з водою тепла вода піднімається нагору, відштовхуючи холодну на дно, і створює тим самим "гарячу верхівку". Вчені вважають, що конвекція може якимось чином прискорити процес охолодження, що дозволяє гарячій воді швидше заморожувати, ніж холодної, незважаючи на те, що вона повинна витратити більше «сил» на те, щоб дістатися до точки замерзання.
Уже півтора століття вчені б'ються над тим, чому лід може змусити вас впасти. Вчені згодні з тим, що тонкий шар води в рідкому стані на поверхні твердого льоду призводить до появи ковзання, і що швидке переміщення рідини ускладнює рух по ній, навіть якщо шар дуже тонкий. Однак, серед них немає консенсусу щодо того, чому лід на відміну від більшості інших твердих тіл, має такий шар.
Теоретики припускають, що шар з'являється як результат акта ковзання, який при контакті з ковзанами або з чимось іншим починає танути. Інші вважають, що шар утворюється до того, як на льоду з'являється фігурист або звичайна людина, і виявляється він там в результаті внутрішнього руху поверхневих молекул.
Коли крапля води потрапляє на поверхню, температура якої набагато вище, ніж точка кипіння води, крапля може ковзати по поверхні набагато довше, ніж ви собі уявляєте. Зване ефектом Лейденфроста, це явище відбувається через те, що коли нижній шар краплі випаровується, молекули газу, що утворюються в цьому шарі, нікуди не зникають, тому їх присутність ізолює інші верстви краплі, і вони, тим самим не стосуються гарячої поверхні. Крапля, таким чином, виживає протягом декількох секунд без википання.
Безумства в мембрані
Іноді молекули води кидають виклик законам фізики, тримаючись разом, незважаючи на всі спроби сили тяжіння або тиску їх роз'єднати. Це є сила поверхневого натягу, що змушує верхній шар води і деяких інших рідин поводитися як гнучка мембрана. Поверхневий натяг виникає через те, що молекули води перебувають у вільному зв'язку один з одним. Через слабких зв'язків між ними молекули на поверхні завжди підштовхуються молекулами з нижніх шарів. Вони будуть триматися разом до тих пір, поки щільно пов'язані молекули будуть намагатися зруйнувати менш міцні зв'язки.
На зображенні, наприклад, видно, як скріпка спирається на верхній шар поверхні води. Хоча метал щільніше води, і повинен за правилами потонути, однак, поверхневий натяг не дає це зробити.
Коли спостерігається величезна різниця між температурою води і температурою повітря на вулиці (наприклад, якщо каструлю з киплячою водою (100 градусів за Цельсієм) "виплеснути" в повітря, температура якого буде -34 градуса), дивовижний ефект трапляється. Кипляча вода миттєво перетворюється в сніг.
Пояснення: щільність дуже холодного повітря досить висока, і його молекули розташовані так близько один до одного, що там залишається дуже мало місця для того, щоб "нести" водяна пара. Кипляча вода, з іншого боку, випускає дуже багато пара. Коли вода викидається в повітря, вона розбивається на краплі, в яких, навпаки, багато місця для перенесення пара. У цьому-то й заковика. Краплі містять більше пара, ніж повітря може утримувати, тому пар "випадає в осад", чіпляючись за мікроскопічні частинки в повітрі, такі як натрій або кальцій і формують кристали. Саме так і утворюються сніжинки.
Хоча тверда форма майже кожного речовини щільніше, ніж його рідка форма, в зв'язку з тим, що атоми в твердих тілах зазвичай щільно розташовані один одному, у випадку з водою це не справедливо. Коли вода замерзає, її об'єм збільшується приблизно на 8 відсотків. Ця дивина дозволяє перебувати на плаву кубиках льоду і навіть гігантським айсбергам.
Коли вода остигає до точки замерзання, для того, що тримати молекули разом потрібно менше енергії, таким чином, молекули здатні утворювати стійкі водневі зв'язки один з одним, поступово блокуючись в певному положенні. Такий же процес проходить при затвердінні всіх рідин. І так само, як і в інших твердих тілах, зв'язку між молекулами льоду дійсно коротше і жорсткіше, ніж вільні зв'язку в рідкій воді. Різниця полягає в тому, що гексагональная структура кристалів льоду залишає багато вільного простору, що робить лід менш щільним, ніж воду в рідкому стані.
Надлишки льоду можна спостерігати в морозильнику в вигляді "крижаних шипів". Ці шипи складаються з надлишок води, які "випадають" з поставлених на заморожування кубів з рідиною. У контейнері вода, як правило, починає замерзати від дна і бічних стінок, все ближче підходячи до центру і верху, тому до середини лід розширюється. Іноді води в такому контейнері виявляється занадто багато, вона виприсківает і замерзає в формі шипа.
Одна в своєму роді
Всім нам відомо, що не існує двох однакових сніжинок. Дійсно за всю історію існування снігу, кожне з цих красивих творінь було абсолютно унікальним. І ось чому: сніжинка починає утворюватися, знаходячи форму простий гексагональної призми. Оскільки при кожному заморожуванні втрачається певна частина молекул через різних температур, вологості і тиску повітря, в таких мінливих умовах сніжинка і знаходить свою унікальну форму. Цих змін досить для того, щоб ніколи форма кристала сніжинки не повторилася.
Однак, що не менше дивно, так це шість абсолютно однакових частин сніжинки, які завдяки своїй синхронності створюють ідеальну гексагональную симетрію.
А ви звідки родом?
Точне походження води, якою покрито 70 відсотків поверхні Землі, все ще залишається загадкою для вчених. Вони підозрюють, що будь-яка вода, що скупчилася на поверхні планети з моменту її формування 4,5 мільярда років тому, мала випаруватися через молодого палаючого сонця. Це означає, що вода, яка зараз присутня на планеті, з'явилася набагато пізніше.
Як? Можливо, близько 4 мільярдів років тому, масивні об'єкти з зовнішньої частини сонячної системи вдарили землю і внутрішні планети. Ймовірно, це об'єкти були наповнені водою, а зіткнення привело до того, що Земля стала гігантським резервуаром для зберігання рідини.
Переклад: Баландіна Е. А.