Сторінка
6

Природні системи абіотичного середовища біосфери

Експериментальні дані впливу температури і тиску на агрегатний стан води можна зобразити за допомогою фазової діаграми (рис. 22).

За будь-яких значень температури і тиску, які відповідають точкам діаграми в площі, обмеженій кривими ВТ і СТ, вода існує тільки в рідкому стані, у точках ниж­че кривої АТ і у точці Т — у вигляді пари. Точки на кривих відповідають умовам, за яких дві суміжні фази перебувають у рівновазі. Дві точки на діаграмі особливо цікаві. Точка Т (273,16 К і 6,03 · 10–3 atm) називається потрійною точкою, де в рівновазі перебувають одночасно три фази: пара, вода і лід. Точка С (647 К і 220 atm) називається критичною. За тем­ператури, більшої за 647 К, водяну пару не можна перетворити на рідину за будь-якого підвищення тиску. Інак­ше кажучи, за температури і тиску, вищих ніж у точці С, водяна пара й рідка вода не розрізняються. Між ними не існує фазової межі. Діаграма стану води відіграє виключно важливу роль у вивченні природних процесів біосфери, за проектування й експлуатації парових котлів, енергетичних турбін, енергосистем, автоклавів тощо.

Аномальною характеристикою води є й те, що максимального значення густини вона набуває за охолодження її у рідкому стані до + 4°С (r = = 1000 kg/m3) (табл. 16). За дальшого охолодження аж до замерзання густина зменшується. Отже, за такої самої маси об’єм льоду більший ніж води, завдяки чому крига не тоне у воді. Ця специфічна властивість забезпечує існування водяної флори і фауни, оскільки річки, озера, моря і океани ніколи не промерзають до самого дна. Пояснення цієї унікальної аномалії слід шукати у змінах структурно-хімічної будови води за змін агрегатного стану.

Молекули води, маючи значний дипольний момент, можуть взаємодіяти одна з одною, утворюючи так звані водневі зв’язки. Однак у фазі пари вода в основному одномолекулярна: атоми водню і кисню зв’язані ковалентно. У рідкому і твердому станах кожна молекула утворює чотири водневі зв’язки, з яких два — як донор протонів (Н+1) і два — як акцептор протонів. Усі чотири водневі зв’язки молекули води спрямовано (рис. 23) приблизно до вершин правильного тетраедра (або перехресних кутів протилежних граней куба).

Рис. 23. Структурна схема міжатомного зв’язку кисню і водню води

Таблиця 16

ПАРАМЕТРИ ВОДИ (ХІМІЧНО ЧИСТОЇ)