Температура плавлення і кипіння води

Температура плавлення і кипіння води

Найдивовижніше і милостиве для живої природи властивість води - це її здатність при "нормальних" умовах бути рідиною. Молекули дуже схожих на воду з'єднань (наприклад, молекули H2S або H2Se) набагато важче, а утворюють при тих же умовах газ. Тим самим вода начебто суперечить закономірностям таблиці Менделєєва, яка, як відомо, передбачає, коли, де і які властивості речовин будуть близькі. У нашому випадку з таблиці випливає, що властивості водневих з'єднань елементів (званих гідридами), розташованих в одних і тих же вертикальних шпальтах, з ростом маси атомів повинні змінюватися монотонно. Кисень - елемент шостої групи цієї таблиці. У цій же групі знаходяться сірка S (з атомним вагою 32), селен Se (з атомним вагою 79), телур Te (з атомним вагою 128) і поллоне Po (з атомним вагою 209). Отже, властивості гідридів цих елементів повинні змінюватися монотонно при переході від важких елементів до більш легким, тобто в послідовності H2Po → H2Te → H2Se → H2S → H2O. Що і відбувається, але тільки з першими чотирма гідридами. Наприклад, температури кипіння і плавлення ростуть при збільшенні атомної ваги елементів. На малюнку хрестиками відзначені температури кипіння цих гідридів, а кружечками - температури плавлення.

Як видно, при зменшенні атомного ваги температури знижуються абсолютно лінійно. Область існування рідкої фази гідридів стає все більш "холодної", і якби гідрид кисню Н2О був нормальним з'єднанням, схожим на своїх сусідів по шостій групі, то рідка вода існувала б в діапазоні від -80 ° С до -95 ° С. При більш високих температурах Н2О завжди була б газом. На щастя для нас і всього живого на Землі, вода аномальна, вона не визнає періодичної закономірності а слід своїми законами.

Пояснюється це досить просто - більшість молекул води сполучена водневими зв'язками. Саме цими зв'язками відрізняється вода від рідких гідридів H2S, H2Se і H2Te. Якби їх не було, то вода кипіла б уже при мінус 95 ° C. Енергія водневих зв'язків досить велика, і розірвати їх можна лише при значно вищій температурі. Навіть в газоподібному стані велике число молекул H2O зберігає свої водневі зв'язку, об'єднуючись в димери (H2O) 2. Повністю водневі зв'язку зникають тільки при температурі водяної пари 600 ° C.

Нагадаємо, що кипіння полягає в тому, що бульбашки пара утворюються всередині киплячій рідини. При нормальному тиску чиста вода кипить при 100 ° С. У разі підведення тепла через вільну поверхню буде прискорюватися процес поверхневого випаровування, але об'ємного пароутворення, характерного для кипіння, не виникає. Кипіння може бути здійснено і зниженням зовнішнього тиску, так як в цьому випадку тиск пари, що дорівнює зовнішньому тиску, досягається при більш низькій температурі. На вершині дуже високої гори тиск і відповідно точка кипіння настільки знижуються, що вода стає непридатною для варіння їжі - не досягається необхідна температури води. При досить високому тиску воду можна нагріти настільки, що в ній може розплавитися свинець (327 ° С), і все ж вона не буде кипіти.

Крім надвеликих температур кипіння плавлення (причому останній процес вимагає занадто великий для такої простої рідини теплоти плавлення), аномальний сам діапазон існування води - сто градусів, на які різняться ці температури, - досить великий діапазон для такої низкомолекулярной рідини, як вода. Надзвичайно великі межі допустимих значенні переохолодження і перегріву води - при акуратному нагріванні або охолодженні вода залишається рідкою від -40 ° C до +200 ° C. Тим самим температурний діапазон, в якому вода може залишатися рідкою, розширюється до 240 ° C.

При нагріванні льоду спочатку температура його підвищується, але з моменту утворення суміші води з льодом температура залишатиметься незмінною до того моменту, поки не розплавиться весь лід. Це пояснюється тим, що тепло, що підводиться до тане льоду, перш за все витрачається тільки на руйнування кристалів. Температура танучого льоду залишається незмінною до тих пір, поки не відбудеться руйнування всіх кристалів (див. Приховану теплоту плавлення).