какая вода не может замерзнуть
Вода, которая никогда не замерзает
Сделать кубики льда очень просто: берем обычный пластиковый лоток для кубиков льда, наполняем его водой и ставим в морозильник. Вскоре вода кристаллизуется и превращается в лед. Если проанализировать структуру кристаллов льда, мы увидим, что молекулы воды расположены в виде правильных решетчатых структур. В воде же, напротив, молекулы расположены не в строгом порядке, хоть и близко друг к другу: иначе вода не могла бы течь.
А что, если бы вода никогда не превращалась в лед? И возможно ли это?
«Стеклянная» вода
По порядку – о поиске нового метода. На первом этапе исследователи разработали и синтезировали новый класс липидов (молекул жира) для создания новой формы «мягкой» биологической субстанции, известной как липидная мезофаза. Мезофазой называется агрегатное состояние вещества, промежуточное между жидкостью и твердым телом. Самый известный пример мезофазы – желатин. В этом материале липиды самопроизвольно собираются и объединяются, образуя мембраны, которые ведут себя так же, как молекулы натурального жира. Эти мембраны затем формируют сети соединенных каналов диаметром менее одного нанометра. Температура и количество воды, а также новая структура разработанных липидных молекул определяют структуру, которую принимает липидная мезофаза.
Естественный «антифриз» для бактерий
«Что делает разработку этих липидов настолько сложной, так это их синтез и очистка», – говорит Эхуд Ландау, профессор химии в Цюрихском университете. Так происходит потому, что молекулы липидов состоят из двух частей: одна является гидрофобной (отталкивает воду), а другая – гидрофильной (наоборот, притягивает воду). С ними чрезвычайно сложно работать, отмечает ученый.
Мягкий биоматериал, образованный из липидных мембран и воды, имеет сложную структуру, которая сводит к минимуму контакт воды с гидрофобными частями и максимизирует ее взаимодействие с гидрофильными частями.
Исследователи смоделировали новый класс липидов на мембранах определенных бактерий. Эти бактерии также вырабатывают особый класс самоорганизующихся липидов, которые могут естественным образом ограничивать количество воды в их внутреннем пространстве, позволяя микроорганизмам выживать в очень холодных условиях.
У нового класса тоже есть свой хитрый механизм. Новизна этих липидов заключается в том, что молекулы гидрофобных частей липидов образуют маленькие кольца, которые создают необходимую «кривизну» для образования крошечных водяных каналов и предотвращают кристаллизацию липидов.
Мягкая материя для исследований
Для чего понадобятся липидные мезофазы, которые не дают воде замерзнуть? Главным образом, они будут служить инструментом для других исследователей. Например, для биологов, которые изучают структуру и функции крупных биомолекул, таких как белки или крупные молекулярные комплексы. Обычно такие образцы помещают в быстро охлажденную воду, чтобы сохранить их и в дальнейшем изучить. Но как только они превращаются в ледяные кристаллы, разрушаются их мембраны и важные составляющие молекул.
Существует метод витрификации – «стеклования» живых клеток. В криобиологии этот термин используют для обозначения метода сверхбыстрого замораживания живых образцов. Криопротекторный раствор, в котором находятся живые объекты, не кристаллизуется при охлаждении, а переходит в стекловидное состояние. Этот метод активно используют при криоэлектронной микроскопии, которая помогает изучить структуры биомеолекул в растворах. Новый способ, который использует липидные мезофазы, может стать альтернативой при подобных исследованиях.
«Наше исследование прокладывает путь для будущих проектов, чтобы определить, как белки могут сохраняться в своей первоначальной форме и взаимодействовать с липидными мембранами при очень низких температурах», – говорит профессор Швейцарской высшей технической школы Цюриха.
Неразгаданные тайны воды
Вода представляет собой вещество с простейшей химической формулой, она тщательно исследована и, казалось бы, не должна таить в себе никаких загадок. Активное изучение воды ведется со второй половины 19 столетия, однако многие ее свойства до сих пор не нашли объяснения. За все это время исследователи выявили множество феноменов, число которых не уступает официально доказанным фактам.
Согласно общепринятому научному мнению жидкая вода имеет простейшую структуру, неспособную к изменениям. Если молекулы льда имеют форму тетраэдра, то после таяния они ее неизбежно утрачивают. Это объясняется тем, что вода в жидком виде не может удерживать устойчивых водородных связей. При этом ряд ученых имеют совершенно иную точку зрения. Они считают, что водородные атомы жидкой воды способны иметь прочную связь, но образуется она на очень краткий промежуток времени, который не в состоянии уловить даже инновационные приборы. В этот момент и проявляются феноменальные свойства, которые не находят объяснений с позиций современной физики. Существуют мнения, что вода может заряжаться энергетикой окружающего пространства, запоминать информацию, менять свою структуру под различными воздействиями, увеличивать биологическую активность после разморозки. Также замечено и множество других невероятных свойств, которые только предстоит доказать ученым.
Наибольшее удивление вызывают 5 аномальных особенностей воды:
Горячая вода замерзает быстрее холодной.
Это необычное свойство было замечено еще в древние времена. Его упоминали Аристотель, Р. Декарт и Ф. Бэкон. Официально оно было открыто только в 1963 г. школьником из Танзании Э. Б. Мпемба. Он заметил эту странную особенность у молока во время практики по поварскому делу. Затем Мпемба провел опыты с водой и сообщил о феномене университетскому профессору по физике, который читал лекции в его школе. В дальнейшем они вместе организовали ряд исследований, но разгадку так и не нашли. Это свойство по сей день не имеет общепризнанного объяснения. В честь своего открывателя оно называется «эффект Мпемба».
Вода иногда не замерзает при минусовой температуре.
Всем известно, что при 0°С вода превращается в лед. Однако в некоторых случаях она остается в жидком виде даже при значительных минусовых температурах. Такой эффект наблюдается только в том случае, если в ее составе полностью отсутствуют посторонние примеси. Незамерзающая вода получила название сверхохлажденной. При появлении мельчайшего инородного включения начинается кристаллизация, и жидкость моментально переходит в твердое состояние.
«Стеклянная» вода
Память воды
В 2002 г. международная научная группа, возглавляемая профессором М. Эннис из Белфаста, сообщила о том, что вода способна «запоминать» информацию. Другие лаборатории не подтвердили открытие. Тем не менее, исследователи не прекращают поиск доказательств в пользу этого феномена.
Несмотря на то что открытие памяти у воды не получило научного подтверждения, оно легло в основу гомеопатии – неофициального медицинского направления. Его последователи утверждают, что препараты не утрачивают своих свойств даже при растворении в значительном количестве воды. Она сохраняет информацию о целебных веществах и оказывает на организм человека необходимый эффект.
Квантовое число воды
В 1995 г. ученые обнаружили еще одно удивительное свойство воды. Оказывается, что ее формула подвержена трансформациям. Из H2O она переходит в H1,5O, а затем возвращается в первоначальное состояние. Процесс происходит в течение 10-18 секунд – за этот период свет проходит расстояние, соответствующее размеру водной молекулы. Это доказывает опыт по рассеиванию нейтронов. Когда они направлены на молекулы воды, то «улавливают» на четверть меньше водородных протонов. Феномен трансформации был назван квантовым.
Поверхностное натяжение воды
Феномен натяжения заключается в том, что вода всегда стремится минимизировать площадь своей поверхности. При отсутствии этого свойства она бы моментально улетучивалась. Поверхностное натяжение при 20°C составляет 0,073 Н/м2. Аналогичное его значение имеет только ртуть – жидкий металл с уникальными химическими характеристиками.
Водные молекулы имеют настолько тесную взаимосвязь, что образуют упругую поверхность, напоминающую пленку. Если аккуратно положить на нее швейную иглу, то она не утонет до тех пор, пока не будет нарушено спокойствие воды. Большое поверхностное натяжение делает возможным множество удивительных природных явлений. Маленькие улитки и комариные личинки прикрепляются к водной глади и охотятся на свою добычу, а водомерки скользят по ее поверхности как на коньках. Определенные виды насекомых способны садится на воду и взлетать с нее также как и с земли. Кроме того, феномен натяжения объясняет возможность смачивания предметов. Молекулы воды «прилипают» к поверхностям, с которыми они соприкасаются, и делают их влажными.
Какая вода не может замерзнуть
Выпал снег, и появилась угроза замерзания воды в садовом водопроводе:
Компостная куча и деревья в снегу:
Ветви ели и электрические провода в снегу:
Начну с того, что на даче я живу только в тёплое время года, когда температуры воздуха исключительно положительные. Дом у меня хотя и утеплённый, но по своим теплоизоляционным характеристикам не предназначен для зимнего проживания. Да, он утеплён слоями пенопласта и фольгированной изоляцией, но это утепление недостаточно для существенных температурных минусов. Поэтому и с водопроводом я особенно не стал заморачиваться. Погружной насос в колодце накачивает воду в гидроаккумулятор, находящийся в неотапливаемом хозблоке, по трубе ПНД диаметром 32 мм, а раздача на восемь точек на участке идёт трубами ПНД диаметром 25 мм. Трубы, где они не мешают, лежат прямо на поверхности земли, а в других местах просто слегка углублены в грунт.
P.S.: Знаю ещё, что не замерзает текущая вода. Видимо потому, что не успевает выстроится кристаллическая решётка. Ну и если речь о водопроводе, то новые порции воды всегда на несколько градусов теплее нуля. Так, на дне колодца температура воды около +4 градусов. Так что при экстремальном минусе можно немного приоткрыть краники на концах раздаточных водопроводных линий. Главное, чтобы вода в колодце не кончилась )))
В общем, эксперимент пришлось прервать из-за отсутствия достаточного количества воды в колодце )))
У меня из 8 точек разбора воды 7 находятся на улице. Поскольку они все были приоткрыты во избежание порчи шаровых кранов, то за день они высосали у меня весь колодец! Осень была довольно сухая, и дебет колодца сейчас весьма низок. В итоге я слил таки всю воду из системы и вытащил насос.
Отвечаем на вопрос: какая вода замерзает скорее — пресная или соленая, и почему?
Пресная и соленая вода – это различные по составу растворы. Их физические свойства различаются. Незначительно, но это влияет на их хозяйственное использование.
Какая превратится в лед быстрее?
При одинаковых внешних факторах скорость кристаллизации пресной воды будет выше, чем соленой. При резком охлаждении молекулы воды начинают сцепляться друг с другом, и формируется осколок льда.
Поэтому скорость образования льда в природе, исходя из исследований американских ученых, составляет 2,32 секунды.
Соленая вода не имеет четко установленной температуры замерзания. Этот показатель зависит от концентрации растворенных веществ.
Рассчитать показатели, при которых начинается образование льда можно по формуле:
Результат всегда будет ниже 0 градусов. Кроме этого, механизм образования льда такого раствора отличается от процессов, проходящих в питьевой воде.
Сравнительные показатели
Наличие примесей существенно влияет на физические свойства вещества:
Температура замерзания
Почему несоленая замерзнет при 0 градусов, а соленая – меньше 0 градусов?
Соленые и пресные воды отличаются по составу. Это 2 различных раствора. Они отличаются по физическим показателям. Поэтому температуры кристаллизации отличаются.
Факторы и их влияние
На начало процесса образования льда в питьевой воде оказывает влияние 2 фактора – процент растворенных минеральных веществ и давление.
Если понизить давление, то процесс кристаллизации замедлится. При изменении показателя на 1 атмосферу температура повышается на 0,01°C.
Факторы, влияющие на температуру образования льда из соленой воды:
Как происходит кристаллизация в различных растворах?
Процесс кристаллизации жидкости отличается в зависимости от степени ее минерализации:
Дальнейший процесс зависит от внешних факторов. Соленая вода замерзает, начиная от края емкости, в центре образуется непрозрачный стержень. В нем содержится большая часть минеральных добавок. Эта часть замерзает последней.
Если процесс идет в естественных условиях, то верхняя охлажденная часть будет опускаться вниз. На поверхность поднимаются теплые потоки.
Видео по теме статьи
Какая вода замерзнет быстрее — соленая или пресная, видео-эксперимент:
Заключение
Сравнивать скорость замерзания пресной и соленой воды некорректно. Так как это разные растворы с различными физическими характеристиками.
В одинаковых условиях лед в емкости с первой образуется раньше, чем в пробирке со второй. Ведь их способы и механизмы кристаллизации различны, как и плотность растворов.
Детально изучен процесс кристаллизации воды при сверхнизких температурах
Наверное, нет на свете более странной, более противоречивой жидкости, чем обычная вода. Она постоянно ведет себя не так. Превращаясь в лед при понижении температуры, она не увеличивает, а уменьшает свою плотность. Таким образом, лед не опускается на дно, а всплывает, давая возможность всему многообразию животных и растений водных экосистем переживать зиму. Ту же строптивость она проявляет в отношении и других своих качеств – таких, например, как сжимаемость и теплоемкость. Химически молекула воды издевательски проста – два атома водорода и один атом кислорода. Однако за счет химических (водородных) связей эти молекулы могут соединяться в 16 различных кристаллических структур, чем, собственно, и объясняются (или должны объясняться) все водяные странности.
Особенно таинственным представляется поведение так называемой «сверхохлажденной» воды.
Если вода очень чистая и не имеет в своем составе примесей, неоднородностей, которые стали бы «зернами кристаллизации», то в жидком состоянии она может находиться при температурах намного ниже нуля.
Однако при достижении некоего критического значения температуры она замерзает настолько быстро, что до сих пор еще никому не удавалось выяснить, почему это происходит и каков в данном случае механизм превращения ее в лёд.
Если задачу не получается решить физически, то ее можно попробовать решить виртуально, с помощью компьютерного моделирования. В последнее время такой метод исследования становится все более и более «модным», поэтому Валерия Молинеро и Эмили Мур, химики из Университета Юты, чья статья о воде появилась в сегодняшнем номере журнала Nature, были отнюдь не первыми, кто в попытке вырвать у воды ее тайны обратился к компьютеру.
Правда, у их предшественников с компьютером тоже не сложилось, поскольку такие расчеты отнимали слишком много времени и не давали ясной картины процесса замораживания воды, так как нужно было отследить многие тысячи событий, приводящих к кристаллизации. Молинеро и Мур создали свою собственную программу, в двести раз более быструю, чем предыдущие: они учитывали не атомы водорода и кислорода в отдельности, а вместо этого приняли за элементарную единицу молекулу воды, математически наделив ее свойством соединяться с другими молекулами за счет водородных связей.
Программа, даже ускоренная, работала многие тысячи часов, чтобы отследить поведение 32768 молекул (это намного меньше, чем капля воды), но в конце концов дала ожидаемый результат.