Вода – одно из начал существования живого на Земле.

«Вода! У тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя не опишешь, тобой наслаждаешься, не понимая, что ты такое», – писал Антуан де Сент-Экзюпери, известный французский писатель.

Вода обладает удивительными свойствами, не встречающимися у других веществ. О воде, веществе таком привычном и знакомом, мы, как это ни странно, знаем далеко не все.

Вспомните:

• Какие свойства воды вы знаете?

• В каких трех состояниях встречается вода в природе?

 

§ 21. Три состояния воды

Реки, болота, озера, ледники, моря, океаны – все это вода (рис. 50). Все живое и неживое: любые почвы и горные породы на нашей планете, все предметы, тела, организмы – содержат ее. Например, в человеческом теле на долю воды приходится 60–80 % массы. Для многих живых организмов вода служит средой обитания. Жизнь на Земле зародилась в воде и без воды невозможна. Моря и океаны накапливают тепло, поглощая энергию солнечного света.

Рис. 50. Вода – самое необыкновенное вещество на Земле

С некоторыми свойствами воды вы уже знакомы: она прозрачна, бесцветна, без запаха и вкуса, обладает текучестью, встречается в трех состояниях – жидком, твердом и газообразном.

Жидкая вода

Летом вы неоднократно отмечали, что земля уже нагрелась, а вода еще долго остается холодной. Входя в воду, вы ощущаете, что ее температура неодинаковая: верхние слои значительно теплее, чем нижние. Перемешивание верхних и нижних слоев производит ветер, вызывающий волнение на поверхности, – чем глубже, тем вода холоднее. Почему вода в рядом расположенных слоях имеет различную температуру?

Чтобы ответить на этот вопрос, поставим следующий опыт.

Возьмем пробирку, положим в нее кусочек льда. Чтобы он не всплывал, можно придавить его сверху маленьким кусочком металла. Затем нальем в пробирку воды. Держа пробирку прищепкой для белья и немного наклонив, нагреваем ту ее часть, где нет льда. Одновременно наблюдаем, что происходит со льдом. Он долго сохраняет твердое состояние. Почему же лед не тает? Вода вокруг кипит, а лед не тает.

Поставленный опыт позволяет сделать вывод: вода не очень быстро передает тепло.

Передача тепла от более нагретой части тела к другой, менее нагретой, называется теплопроводностью. Так как теплопроводность воды не очень большая, то лед в нашем опыте долгое время находится в твердом состоянии.

У воды есть и другое замечательное свойство: нагретая солнечными лучами, она способна долгое время сохранять полученное тепло. Вода как бы накапливает его в себе и удерживает. Она медленно нагревается и медленно остывает. Летом вода в приморских районах, нагреваясь медленнее, чем суша, охлаждает окружающий воздух, а зимой теплое море постепенно остывает, отдавая тепло воздуху и смягчая мороз.

Твердая вода

Когда температура опускается ниже 0 °С, вода замерзает и переходит в твердое состояние – лед (рис. 51).

Рис. 51. Лед – твердая вода в природе

Мы знаем, что вода обладает текучестью. Оказывается, и лед при определенных условиях может «течь». На Земле существуют огромные «ледяные реки», медленно стекающие с высоких гор. Их называют ледниками.

Почему же ледники движутся? Оказывается, под огромной тяжестью (толщина некоторых ледников достигает 3–4 км) лед у поверхности Земли начинает подтаивать и превращается в жидкость. Образовавшаяся вода облегчает скольжение, она выступает в роли смазки.

Газообразная вода

Мы уже говорили, что вода может находиться в газообразном состоянии, т. е. в состоянии водяного пара. Можно ли увидеть водяной пар?

Белое облако, которое образуется по ночам и рано утром в низинах и над водоемами; белый дымок, который вырывается из носика чайника, или белые видимые клубы над сосудом, где закипает вода, – все это не водяной пар, а туман – мельчайшие капельки воды, образующиеся в воздухе (рис. 52).

Рис. 52. Туман – мельчайшие капельки воды, образующиеся в воздухе при конденсации водяного пара

Нет никакой разницы между туманом и облаком в небе. Туманы чаще бывают осенью, когда воздух охлаждается быстрее, чем земля или вода. При соприкосновении прохладного воздуха с теплым и образуется туман.

Чем отличается туман от водяного пара? Пар – это газ, прозрачный и невидимый. Видеть водяной пар (воду в газообразном состоянии) невозможно, как нельзя видеть воздух при конденсации водяного пара. Но можно доказать, что водяной пар содержится в воздухе. Например, в воздухе комнаты. Если подержать небольшое зеркало 10–20 мин на улице (при температуре -5 °C или ниже), а потом внести его в теплую комнату, то через несколько минут оно покроется капельками воды. Капельки воды – это бывший водяной пар, который сконденсировался из комнатного воздуха на холодном стекле зеркала. Вода из газообразного состояния – водяного пара, который содержится в комнатном воздухе, от охлаждения при соприкосновении с холодным стеклом зеркала перешла в жидкое состояние.

Количество водяных паров, которое может содержаться в воздухе, зависит от его температуры: чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара в нем.

Вода в жидком, твердом и газообразном состоянии образует на Земле оболочку – гидросферу.

1. Как вы думаете, что будет более эффективным в качестве грелки: 2 кг песка при температуре +60 °C или 2 л воды при той же температуре? Ответ объясните.

2. Почему туман образуется по ночам или рано утром?

 

§ 22. Тепловое расширение воды

Известно, что многие вещества расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. А как ведет себя вода при таких условиях?

Чтобы ответить на этот вопрос, проведем опыт.

Наполним колбу водой и закроем ее пробкой с двумя отверстиями. Вставим в них стеклянную трубочку и термометр (его надо опустить почти до дна колбы). В стеклянной трубочке вода должна находиться над пробкой. Чтобы опыт был более наглядным, воду можно немного подкрасить, бросив в нее маленький кристаллик марганцовки. Отметим уровень воды в колбе, надев на стеклянную трубочку тонкое резиновое кольцо. Колбу поместим в большой плоский сосуд и наполним его мелкими кусочками льда.

Рис. 53. При охлаждении воды до +4 °C ее объем уменьшается

Первоначальная температура воды была +18 С. Через несколько минут уровень воды изменился: он стал ниже, чем был. И температура воды в колбе понизилась. Лед, который находится вокруг колбы, охладил ее. Значит, при охлаждении вода сжимается, ее объем уменьшается.

Продолжим наблюдения. При достижении температуры +4 °C вода, вместо того чтобы продолжать сжиматься, как это было при других температурах, начинает расширяться. Если продолжать охлаждать воду, она будет расширяться до тех пор, пока ее температура не станет 0 °C.

Вода – единственное вещество на Земле, которое при охлаждении сначала сжимается, а затем при температуре +4 °C начинает расширяться.

Особенности теплового расширения воды имеют огромное значение для всего живого, в частности, для обитателей водоемов в тех местностях, где бывают суровые зимы (с минусовыми температурами). Разберем, что происходит с водой в водоемах, когда начинается зима. Холодный воздух, соприкасаясь с верхними слоями воды, охлаждает ее. Охлажденная вода, становясь тяжелее, опускается вниз, ко дну. Опускаясь, она охлаждает более теплые слои. Такое перемещение воды происходит до тех пор, пока температура воды во всем водоеме не достигнет +4 °C. При этой температуре она начинает расширяться. Ставшая менее плотной, вода медленно движется вверх. Так продолжается, пока температура воды не достигнет 0 °C. При этой температуре верхние ее слои начинают замерзать и еще больше расширяться. На поверхности водоема появляется тонкий слой льда. Он не тонет, так как легче воды. И поэтому поверхность водоема замерзает в первую очередь. Сплошной лед защищает находящуюся ниже него воду от холодного воздуха, препятствует промерзанию до дна рек, озер, прудов и других глубоких водоемов.

На дне глубоких водоемов вода круглый год имеет температуру +4 °C (рис. 54). Если бы не было удивительной особенности воды – расширения при замерзании, то вся или почти вся жизнь зимой в воде прекратилась бы.

Рис. 54. Распределение температуры воды в замерзшем водоеме

Вода не уменьшает (как другие вещества), а увеличивает свой объем при переходе из жидкого состояния в твердое.

При замерзании она расширяется на 1/9 своего объема, т. е. при замерзании 9 л жидкой воды получается 10 л твердой– льда! Когда зимой лопаются водопроводы, автомобильные радиаторы, бутылки с водой, это происходит оттого, что вода замерзает и увеличивается в объеме.

1. Как изменяется объем воды при замерзании?

2. Если температура воздуха надо льдом, покрывающим озеро, – 10 °C, то какую можно ожидать температуру в воде, соприкасающейся со льдом; на дне озера?

 

§ 23. Вода – растворитель. Работа воды в природе

Абсолютно чистой воды в природе нет – в ней всегда присутствуют какие-то примеси. Одни из них желательны, так как нужны организму человека. Другие могут быть опасными для здоровья и делать воду непригодной для использования.

Вода – растворитель

Нет таких веществ, которые, хотя бы в малой мере, не растворялись в воде. В воде в незначительной степени растворяются даже золото, серебро, железо, стекло. Ученые подсчитали, что, например, когда мы выпиваем стакан горячего чая, вместе с ним поглощаем примерно 0,0001 г растворенного стекла. Из-за способности воды растворять другие вещества ее никогда нельзя назвать абсолютно чистой. Понятие «чистая» вода условно.

Жидкость, содержащую посторонние вещества, которые равномерно в ней распределены, называют раствором. Растворы всегда прозрачны.

В природной воде могут быть различные частицы, которые в ней не растворились. Такие частицы делают ее мутной. В этом случае говорят о взвеси. Постояв какое-то время, мутная жидкость становится прозрачной. Нерастворенные частички вещества опускаются на дно. А в растворах, сколько бы они ни стояли, вещества на дно не оседают.

Фильтруясь через почву, природные и сточные воды в какой-то степени очищаются от нерастворенных, взвешенных частиц.

Люди давно заметили, что вода, налитая в серебряные сосуды, долго не портится. Дело в том, что в ней содержится растворенное серебро, которое губительно действует на бактерии, находящиеся в воде. «Серебряная» вода используется, в частности, космонавтами во время полетов.

В воде растворяются не только твердые и жидкие вещества, но и газы, например кислород, азот, углекислый газ и др. Растворенным в воде кислородом дышат рыбы, а также другие животные и растения.

Получение газированной воды основано на растворении в воде углекислого газа.

Работа воды в природе

Многие явления на поверхности Земли происходят с участием воды. Так, ручейки талой воды, объединяясь, становятся грозными потоками и могут принести большие разрушения. Они смывают и уносят с собой верхние слои плодородной почвы. Просачиваясь в землю, вода размывает и растворяет различные породы. Так под землей образуются пустоты – пещеры.

Хорошо известны страшные стихийные бедствия – наводнения, во время которых вода сносит мосты и переправы, разрушает берега и постройки, уничтожает посевы, уносит человеческие жизни.

Рис. 55. Весеннее половодье

Но вода производит не только разрушительную работу. Речная вода во время весеннего половодья (рис. 55) наносит плодородный ил на отдельные участки земли (рис. 56). На них очень хорошо развивается растительность.

Рис. 56. Работа воды в природе

Ни один процесс в живых организмах не проходит без участия воды. Растениям она необходима для поглощения веществ из почвы, продвижения их по растению в виде растворов, для прорастания семян.

Вода является средой обитания для многих живых организмов, которых не встретишь на суше (рис. 57).

Рис. 57. Морская звезда

Исключительна роль воды в жизни человеческого общества. Человек превратил водоемы в транспортные пути, речные потоки – в источник дешевой электроэнергии. Водные ресурсы – национальное богатство нашей страны, которое требует бережного отношения: строгого учета, охраны от загрязнения (рис. 58), экономного использования.

Рис. 58.Загрязнение морского пляжа бытовыми отходами

В процессе хозяйственной деятельности человек использует огромное количество чистой воды. Ежегодно промышленные стоки загрязняют 12 % мирового речного стока. В отравленных промышленными и хозяйственными стоками водоемах гибнет рыба и другие водные обитатели. Загрязненные воды становятся источником тяжелых заболеваний.

1. Основная масса живых организмов суши дышит кислородом. Водные животные также дышат кислородом. Откуда берется кислород в воде?

2. Как отличить раствор от взвеси?

1. Почему зимой рыба и растения не погибают в глубоких водоемах?

2. Известно, что объем воды изменяется в зависимости от ее температуры. При какой температуре вода будет занимать наименьший объем: -2 °C, +3 °C, +4 °C, 0 °C?

3. Вода в чайнике закипела. Дочь говорит маме: «Я выключила плитку, так как из чайника шел дым». Какую неточность допустила девочка? Какой процесс она наблюдала?

4. Из железной бочки, которая стояла на садовом участке, осенью забыли вылить воду. Весной дно бочки было выдавлено. Почему это произошло?

Что вы узнали о воде (самое, самое, самое…)

Состояние воды

• твердое

• жидкое

• газообразное

Свойства воды

• теплопроводность хуже, чем у металлов, но лучше, чем у воздуха

• при охлаждении: до +4 °C сжимается, от +4 С до 0 °C расширяется

• вода – растворитель

Вода в природе

• раствор

• взвеси

Работа воды в природе

• разрушение почвы и горных пород

• образование пещер