Пищевая химия: учебник для студентов вузов

Описание свойств воды начинают, обычно, с характеристики аномалий, присущих воде – самому распространенному и, вместе с тем, самому загадочному и необычному веществу на земле. Причем практически каждое из этих аномальных свойств имеет важное значение для обеспечения жизнедеятельности на земле. Необычные свойства воды особенно ярко выделяются на фоне свойств ее гомологов: H2S, H2Se, H2Te. Молекула воды является самым первым и легким представителем этого гомологического ряда, однако гидриды серы, селена и теллура при комнатной температуре, в отличие от воды, находятся в газообразном состоянии (рис. 23).

И вода, если бы она была обычным членом гомологического ряда, должна в соответствии со своей молекулярной массой закипать при температуре –70 оС и превращаться в лед при температуре –90 оС, а значит, не могла бы быть основой жизни на земле.

Рис. 23. Точки плавления и кипения гидридов VI группы Периодической системы элементов

Другая особенность воды – это аномальное изменение плотности в зависимости от температуры (рис. 24). В обычных жидкостях плотность всегда уменьшается с ростом температуры. Для воды характер изменения плотности в зависимости от температуры другой – после таяния льда плотность увеличивается, проходит через максимум при температуре 4 оС, а затем уменьшается с ростом температуры.

Рис. 24. Зависимость плотности воды от температуры

Жидкая вода имеет максимум плотности не в точке плавления, а при температуре 4 оС и ее плотность уменьшается, как при повышении температуры, так и при ее понижении до температуры возможного переохлаждения, равной – 40 оС (при 1 атмосфере). При этом плотность воды больше плотности льда на 10%, благодаря чему лед плавает на поверхности воды. При температуре 4 оС вода уменьшается в объеме до минимальных значений, а при дальнейшем понижении температуры от 4 оС до 0 оС расширяется (рис. 25).

Рис. 25. Зависимость молярного объема воды и льда от температуры

Минимум объема воды при температуре 4 оС обусловлен, по мнению Зацепиной Г.Н., особенностью межмолекулярного взаимодействия системы Н2О, в которой число межмолекулярных переходов протонов равно числу внутримолекулярных переходов. Вода, превращаясь в лед, благодаря увеличению объема приобретает огромную силу, способность разрушать крепчайшие породы и, вместе с тем это спасает нашу планету от оледенения. Так как максимум плотности при 4 оС предотвращает конвективное перемешивание жидкости и опускание на дно поверхностных слоев воды, остывших до температуры ниже 4 оС, что замедляет дальнейшее охлаждение и промерзание водоемов.

Морская вода, в отличие от пресной ведет себя иначе. Наличие различных солей меняет ее физико-химические свойства. Она замерзает при – 1,9 оС (переохлажденная вода) и имеет максимальную плотность при – 3,5 оС, то есть она превращается в лед, не достигая наибольшей плотности. Переохлажденная вода, то есть остающаяся в жидком состоянии ниже точки замерзания 0 оС, ведет себя странно, с одной стороны плотность воды сильно уменьшается по мере переохлаждения, но, с другой стороны она приближается к плотности льда при понижении температуры.

Другая аномалия воды – необычное поведение ее сжимаемости, то есть уменьшение объема при увеличении давления. Для обычных жидкостей сжимаемость растет с температурой – при высоких температурах жидкости более рыхлы, имеют меньшую плотность, их легче сжать. Вода так ведет себя при высоких температурах выше 50 оС. При низких температурах, от 0 оС до 45 оС сжимаемость воды меняется противоположным образом, в результате при температуре 45 оС появляется минимум. Изотермическая сжимаемость воды при температуре 0 оС в четыре раза больше, чем изотермическая сжимаемость льда (рис. 26).

Рис. 26. Зависимость сжимаемости воды от температуры

Максимальное изменение сжимаемость испытывает при плавлении. Сжимаемость воды и льда мала по сравнению со сжимаемостью других веществ (табл.4.1.1).

Таблица 4.1.1. Сжимаемость ряда веществ в интервале температур от 5 оС до 30 оС

Температура, оС	βs ·1012, дин/см2
	Вода	Метанол	Бензин
5	51,6	–	84,2
10	48,7	114,9	88,5
15	–	118,8	92,2
25	46,6	122,7	95,6
30	45,8	131,0	103,1

Указание особенности изменения сжимаемости воды и льда объясняют характером водородных связей в них. На этих примерах видно, что необычные свойства воды характеризуются появлением максимумов или минимумов на кривых зависимостей от температуры. Такие зависимости означают, что имеют место два противоположных процесса, которые и определяют эти свойства. Один процесс – это обычное тепловое движение, которое усиливается с ростом температуры и делает воду, как и любую другую жидкость, более разупорядоченной. Другой процесс необычный, присущий только воде, за счет него вода становится более упорядоченной при низких температурах. Разные свойства воды по-разному чувствительны к этим двум процессам, и поэтому положение экстремума наблюдается для каждого свойства при своей температуре.

Самая сильная аномалия воды – это температурная зависимость ее теплоемкости. Величина теплоемкости показывает, сколько нужно затратить тепла, чтобы поднять температуру вещества на один градус. При нагревании вещества теплоемкость, как правило, возрастает для всех веществ, кроме воды. Изменение теплоемкости воды с повышением температуры аномально – от 0 оС до 37 оС она падает и от 37 оС до 100 оС начинает повышаться. Теплоемкость водяного пара приближается к теплоемкости льда. Минимальное значение теплоемкость воды имеет около 37 оС. Это нормальная температура тела человека (36,6–37 оС), именно при этой температуре происходят сложные биохимические процессы в организме человека, значит энергетически это наиболее выгодные условия. Для подавляющего числа веществ теплоемкость жидкости после плавления кристалла изменяется незначительно (табл. 4.1.2).

Таблица 4.1.2. Теплоемкость веществ в трех агрегатных состояниях

Агрегатное состояние	Теплоемкость вещества (СоР, кал/моль)
	Н2О	NH3	CH4	HCl	H2	Hg	Na
газообразное	8,75	9,9	–	6,7	6,9	–	5,0
жидкое	18,0	12,0	11,0	12,0	11,0	6,8	7,6
твердое	9,0	9,0	14,0	15,0	13,0	6,7	8,0

Вода же при плавлении льда меняет теплоемкость в два раза, такого огромного скачка при плавлении не наблюдается ни у одного вещества. Теплоемкость льда имеет очень низкое значение, она близка к теплоемкости одноатомных кристаллов и равна теплоемкости твердого аммиака. В процессе плавления металлов теплоемкость практически не изменяется, для веществ из многоатомных молекул в процессе плавления она, как правило, уменьшается, что, вероятно, связано с тем, что молекулы могут свободно вращаться в жидкости, и не могут в твердом теле. Для таких соединений как Н2О и NH3 теплоемкость в жидком состоянии много больше, чем в твердом состоянии. Это означает, что в воде открываются какие-то новые, энергоемкие процессы, на которые тратится подводимое тепло, что и обуславливает появление избыточной теплоемкости, причем это характерно для всего диапазона температур, при которых вода находится в жидком состоянии. Эта аномалия исчезает только в паре, то есть это свойство именно жидкой воды. Для переохлажденной воды теплоемкость еще больше возрастает при сильном переохлаждении, то есть переохлажденная вода еще более аномальна, чем обычная. Высокая теплоемкость воды и высокая удельная теплота плавления среди простых веществ (лед трудно растопить, а воду заморозить) способствуют смягчению климата на земле, не происходит резкого перепада температур зимой и летом, ночью и днем, поскольку существует гигантский регулятор, своеобразный термостат – воды Мирового океана.

Другой величиной, которая определяет характер теплового движения в жидкостях, является теплопроводность. Зависимость изменения теплопроводности воды от температуры приведена на рисунке 26. Для сравнения приведено изменение теплопроводности четыреххлористого углерода, который ведет себя, как обычная жидкость, то есть с ростом температуры уменьшается теплопроводность и растет теплоемкость. Как видно из рисунка 27, теплопроводность при плавлении льда уменьшается приблизительно в четыре раза. Переохлажденная вода имеет тот же характер изменения теплопроводности, что и обычная.

Рис. 27. Зависимость теплопроводности воды и четыреххлористого углерода от температуры

Все нормальные жидкости с ростом давления изменяют знак зависимости теплопроводности от температуры. Теплопроводность воды не изменяет характера температурной зависимости под давлением. Относительная величина увеличения теплопроводности воды при давлении 1200 кг/см2 составляет около 50%, в то время как для нормальных жидкостей это увеличение при том же давлении составляет приблизительно 270%. Теплопроводность воды слабо зависит от давления, что связано с малой сжимаемостью воды по сравнению с другими жидкостями.

И, наконец, еще одно удивительное свойство воды, связанное с особенностями ее поверхностного натяжения. Вода в свободном состоянии принимает шарообразную форму (капли дождя, росы). На границе двух сред (вода-воздух) силы межмолекулярного притяжения действуют с одной стороны, стягивая поверхность жидкости. На структуру поверхностного слоя воды влияет два фактора – полярность молекул воды и сетка водородных связей. Поверхностное натяжение воды 72 мн/м (миллиньютон/метр). Это поверхностное натяжение настолько велико, что смоченные водой две пластинки из стекла удается разъединить только с помощью огромных усилий. Из всех известных жидкостей силы поверхностного натяжения воды по своей величине уступают только ртути (около 500 мн/м).

Рис. 28. Зависимость сдвиговой вязкости от температуры для воды и четыреххлористого углерода

Еще одно аномальное свойство воды – ее вязкость. Обычные жидкости с повышением давления увеличивают вязкость, а с ростом температуры уменьшают. Характер изменения вязкости у воды другой. На рисунке 28 представлена зависимость вязкости от температуры для воды и четыреххлористого углерода. Как видно из рисунка вязкость четыреххлористого углерода до температуры около 23 оС меньше, чем у воды, а для больших температур она больше, чем у воды.

Зависимость вязкости от давления для разных температур приведена на рисунке 29, из которой следует, что для низких температур с ростом давления вплоть до 2000 атм вязкость воды уменьшается, а затем начинает расти и при температуре 100 оС кривая близка по характеру зависимости для обычных жидкостей.

Рис. 29. Зависимость сдвиговой вязкости от давления для ряда температур

Увеличение вязкости для них с ростом давления связано с уменьшением длины свободного пробега молекул, так как при большем давлении они плотнее упакованы. Как видно из приведенных характеристик, вода действительно является необычной, аномальной жидкостью и природа этих аномалий кроется в особенностях ее структуры.