Физические свойства воды

Чистая природная вода – жидкость без запаха, вкуса и цвета (лишь в слое толщиной более 2 м голубоватая). Основные физические характеристики воды (при давлении 0,1 МПа) приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Основные физические характеристики воды (при давлении 0,1 МПа) [4]

Константа	Значение
Температура:	замерзания, плавления – 0 кипения – 100
Плотность при:	0 – 0,99984 г/см3 3,98 – 0,99997 г/см3 20 – 0,9982 г/см3 100 – 0,95835 г/см3
Скрытая теплота:	плавления льда – 330 кДж/кг испарения при - 2250 кДж/кг
Удельная теплоемкость:	льда - 2,035 Дж/(гК) воды при - 4,178 Дж/(гК)
Теплопроводность при	4,18 Вт/(мК)
Вязкость при:	0 – 0,001793 Пас 25 – 0,000895 Пас
Удельная электростатическая проводимость при	4,2 10-6 см/м
Относительная диэлектрическая постоянная при	81
Поверхностное натяжение при	7310-3 Н/м
Критические константы:	температура – 374,2 С давление – 22,12 МПа плотность – 0,324 кг/л

По сравнению с другими химическими соединениями вода обнаруживает необычные отклонения по ряду физических свойств – плотности, удельной теплоемкости, вязкости и др.

При нагревании воды происходит разрыв водородных связей и уменьшается степень ассоциации молекул воды. В интервале температур от 0 до 4увеличение плотности, вследствие повышения плотности упаковки молекул, преобладает над тепловым расширением и при температуре 3,98вода имеет максимальную плотность. При дальнейшем нагревании от 4 до 100наблюдается нормальное снижение плотности воды. Эта аномалия обуславливает возможность жизни в водоемах, замерзающих в зимнее время. Поскольку лед легче воды (его плотность меньше), то он располагается на поверхности и защищает лежащие ниже слои воды от промерзания. При дальнейшем понижении температуры увеличивается толщина слоя льда, но температура воды подо льдом остается на уровне 4, что позволяет водным организмам, включая ихтиофауну, сохранить жизнь.

Большое значение в жизни природы имеет также и тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоемкостью – 4,18 Дж/(гК). Высокая теплоемкость воды есть следствие расхода части теплоты на разрыв водородных связей. В природных условиях вода медленно остывает и медленно нагревается, являясь регулятором температуры на земле.

Еще одна аномалия заключается в том, что при увеличении давления температура плавления льда не повышается, а понижается. Если же после замерзания давление превышает определенную величину, то образуются другие модификации льда, плотнее обычного и даже обычно плотнее жидкой воды. Поэтому плотно закрытый сосуд с замерзшей в нем водой не разорвется, если перед замерзанием вода уже находилась под высоким давлением [4].

Давление паров воды в зависимости от температуры имеет следующие значения:

Таблица 2 – Зависимость давления паров воды от температуры

t,	0	20	40	60	80	100
, кПа	0,61	2,33	7,39	19,9	47,3	101,3

Температура кипения воды находится в прямой зависимости от давления – чем она выше, тем выше температура кипения.

Таблица 3 – Зависимость температуры кипения воды от давления [4]

,кПа	6	7	7,5	7,6	7,7	7,8	7,9	8
t,	93,48	97,71	99,63	100	100,39	100,73	101,09	101,45

Вязкость (способность жидкости оказывать сопротивление различным формам движения) воды закономерно изменяется в зависимости от температуры: уменьшается с ее возрастанием. С повышением концентрации растворенных в воде солей вязкость увеличивается. В то же время действие давления на вязкость воды довольно специфично: с понижением температуры при умеренном давлении вязкость воды снижается, хотя логично было бы ожидать ее повышения, а если давление увеличить значительно, то поведение воды подчиняется общему правилу.

Поверхностное натяжение воды с увеличением температуры уменьшается: при оно составляет 7310^-3 Н/м, а при - 52,510^-3 Н/м. При добавлении солей поверхностное натяжение воды возрастает, но незначительно. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) обладают способностью сильно снижать поверхностное натяжение.

Вследствие асимметричного строения молекула воды обладает резко выраженным дипольным характером, т.е. в молекуле не совпадают центры тяжести положительных и отрицательных зарядов. Дипольный характер молекул воды способствует образованию так называемых продуктов присоединения: к молекулам воды присоединяются молекулы веществ ионного строения или же не иного, но с выраженным дипольным характером [4].

Относительная диэлектрическая постоянная воды равна 80 – это очень высокая величина, чем и объясняется такая большая ионизирующая сила воды.

Оптические свойства воды оцениваются по ее прозрачности, которая, в свою очередь, зависит от длины волны луча, проходящего через воду. Ультрафиолетовые лучи легко проходят через воду, а инфракрасные проникают только в поверхностный слой и в незначительной степени. Вследствие поглощения оранжевых и красных компонентов видимого света вода приобретает голубоватую окраску.

Тяжелая вода D₂O по своим физическим свойствам отличается от обычной: некоторые константы обычной и тяжелой воды приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Константы обычной и тяжелой воды [4]

Константа	Н2О	D2O
Молекулярная масса	18,016	20
Температура: замерзания, кипения,	0 100	3,8 101,4
Плотность при 20 , г/см3	0,9982	1,105
Температура при максимальной плотности,	3,98	11,6