background image

 

63

Это  увеличение  объема  на 9 % при  замерзании  воды  за  счет  отделившихся 

цепочек  и  выделившихся  плотных  кластерных  структур  позволяет  считать,  что  в 
жидкой  воде  при  нормальных  условиях  присутствует  примерно 9 % плотных 
кластеров  разной  формы,  составленных  из  молекул  воды,  соединенных  своими 
атомами кислорода. 

Повышение  температуры,  например,  от 4 

0

С  до 20 

0

С  приводит  к 

расшатыванию  Н-связей,  частичному  их  разрыву  и  увеличению  расстояния  между 
молекулами,  увеличению  размера  пор;  происходит  отделение  цепочечных 
структур, как от тетраэдрической, так и от плотной структуры. Можно сказать, что 
происходит  разделение  фаз.  Как  видно  из  таблицы,  плотность  воды  при 20 

0

С 

практически  такая  же,  как  у  воды  при 0 

0

С.  Это  означает,  что  при  понижении 

температуры  от 4 

0

С  тоже  происходит  процесс  разделения  фаз,  как  и  при 

повышении  температуры  от 4 

0

С  до 20 

0

С,  однако  механизмы  этих  процессов 

разные.  При  нагревании  амплитуды  колебаний  молекул  воды  и  связей  между  ними 
увеличиваются.  Это  приводит  к  легкому  освобождению  цепочек  из  пористой 
тетраэдрической  сетки  и  разрыву  Н-связей  между  тяжелыми  плотными  кластерами 
и  их  отделению  от  общей  тетраэдрической  Н-связанной  массы  и  началу  ее 
дифференциации на отдельные небольшие ассоциаты различной  величины. 

9.2  Аномальная теплоёмкость. 

Рассмотрим  еще  одну  особенность  воды – ее  аномальную  теплоемкость

Известно,  что  при  нагревании  вещества  теплоемкость,  как  правило,  возрастает. 
Она  различна  при  разных  уровнях  нагрева,  но  для  любого  вещества  неизменно 
повышается с увеличением  температуры.  Однако  вода  в этом  отношении  проявляет 
аномальные  свойства.  В  интервале  температур  от 0 

0

С  до 37 

0

С  теплоемкость 

падает,  т.е.  вода  имеет  отрицательную  теплоемкость,  а  от 37 

0

С  до 100 

0

С – она 

повышается (рис. 11). 

 

 

Рис. 11. Температурная зависимость удельной теплоемкости воды. 

(взято из В.В. Синюков. «Вода известная и неизвестная», Изд. «Знание» М., 1987, с.175) 

Выше  уже  отмечалось,  что  вода  состоит  из  двух  структур  или  двух  фаз.  Одна 

фаза  (рыхлая)  образована  Н-связанными  молекулами  воды.  Вторая  фаза  (плотная) 
образована  кластерами  из  молекул  воды,  связанных  атомами  кислорода.  Энергия 
химической  квадруполь-квадрупольной  связи  между  молекулами  НОН  гораздо 
больше  энергии  Н-связи.  При  подводе  тепла  к  объему  воды  плотная  фаза, 
состоящая  из  молекулярных  кластеров  достаточно  малых  или  даже  микроразмеров, 
которых  в  общем  объеме  воды  имеется  небольшое  количество  (около 9 % по 
объему),  начинает  претерпевать  фазовое  превращение;  тепловая  энергия  в  первую 
очередь  тратится  на  разрыв  координационных  (квадруполь-квадрупольных)  связей