Электрические свойства воды определяются ее химическим составом, концентрацией ионов и наличием примесей.
Вода является хорошим проводником электричества, но ее проводимость зависит от содержания в ней минеральных солей и примесей. В чистой, дистиллированной воде электропроводность очень низкая, так как чистая вода содержит очень мало заряженных частиц.
Вода обладает ионной проводимостью, то есть проводимостью, связанной с перемещением ионов. При растворении в воде различных веществ, таких как соли, кислоты или основания, эти вещества диссоциируют на ионы, которые затем могут перемещаться под действием электрического поля. В результате электропроводность воды увеличивается.
Кроме того, вода обладает собственной диэлектрической проницаемостью, то есть способностью изолировать заряженные частицы друг от друга. Это свойство воды важно для электробезопасности и играет роль в передаче электрической энергии на расстояние.
Колоссальную роль и значимость воды в природе невозможно переоценить. Благодаря воде возникла и поддерживается жизнь на Земле, ведь вода содержится во всех без исключения живых организмах, а также в растениях и постоянно требуется им.
Именно вода в атмосфере формирует климат и погоду на нашей планете (снег, дождь, пар — проявление трех, постоянно сменяющих друг друга, агрегатных состояний воды). Чуть более 70% поверхности Земли постоянно скрыто под водой.
Соленая вода, а ее на поверхности нашей планеты более 97%, принадлежит мировому океану, пресная — содержится в ледниках, озерах, подземных водах и атмосфере.
Кроме того, объем воды сравнимый с объемом Мирового океана, находится в подземной мантии — в той части Земли, которая расположена непосредственно под корой и над внешним ядром; исследования российских и французских ученых, проведенные в XXI веке, показали: между нижней и верхней мантиями Земли существует гигантский резервуар с содержанием воды в десятые доли процента, а общее количество воды в нем сопоставимо с таковым во всем Мировом океане.
Электрический дипольный момент молекулы воды
Для начала рассмотрим строение молекулы воды. Молекула воды имеет ковалентную химическую связь. Ковалентная связь — это связь, которая образована путем перекрытия пары валентных электронных облаков двух атомов. Так вот, атомы водорода в молекуле воды присоединены к атому кислорода таким образом, что образуют угол 104° 27'.
Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака в молекуле сильно смещены в сторону кислорода. По этой причине молекула воды обладает существенным электрическим дипольным моментом p = 1,84 Д. То есть молекула воды полярна.
Вода — растворитель
И конечно же, вода является прекрасным растворителем для веществ, молекулы которых также обладают электрическими дипольными моментами: большая молекула растворяемого в воде вещества окружается сравнительно маленькими молекулами воды так, что положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают молекулу воды той ее стороной, где выпячивается атом кислорода, а отрицательно заряженные — той ее стороной, где находятся два атома водорода.
Вот почему вода очень важна для живой клетки именно в качестве растворителя. Именно в межклеточном пространстве подобным образом во взаимодействие вступают водные растворы различных веществ. На приведенном выше рисунке показано, как в воде растворяется поваренная соль.
Далее поговорим об электрических свойствах воды, рассмотрим воду с электротехнической точки зрения.
Вода — изолятор и вода — проводник
Чистая вода (например дистиллированная) — хороший изолятор, в нормальных условиях она слабо диссоциирована (разделена на ионы). Концентрация положительных ионов H3O+ и отрицательных ионов OH- обычно составляет не более 10-7 моль/л.
Импульсная электрическая прочность дистиллированной воды как изолятора составляет 0,5 МВ/см. Но в силу того, что вода — хороший растворитель, в реальности в ней всегда присутствуют те или иные растворенные соли, а значит - отрицательные и положительные ионы (см. рисунок выше). Поэтому на практике обычная вода хорошо проводит электрический ток.
Кстати, по электропроводности легко определить чистоту воды. При этом, поскольку проводимость воды сильно зависит от степени ее минерализации, однозначно точную цифру назвать нельзя.
Тем не менее из экспериментов известно, что если в одном литре дистиллированной воды растворить 1 грамм поваренной соли, то удельная электропроводность такого раствора будет составлять при нормальных условиях 1990 мкС/см.
Грубо говоря, если взять трубку сечением 1 кв.см и длиной 1 метр, заполнить ее раствором поваренной соли подобной концентрации, то сопротивление шнура воды между концами трубки окажется равным примерно 50 кОм.
Вода - диэлектрик
Дистиллированная вода является полярным диэлектриком. У полярных диэлектриков молекула устроена так, что ее ядро и электроны находятся друг от друга на некотором расстоянии, то есть у молекулы сдвинуты положительный и отрицательный центры. Что же касается диэлектрической проницаемости дистиллированной воды, то она сильно зависит от температуры:
Так или иначе, известно, что при помещении полярного диэлектрика в электростатическое поле, его диполи переориентируются таким образом, что вектор напряженности внутреннего электрического поля окажется направлен в противоположную сторону относительно вектора напряженности внешнего электрического поля. Это значит, что конденсатор с водой в качестве диэлектрика в принципе вполне реален. Вот только целесообразен ли?
Говорят, в прошлом веке в научно-исследовательских целях часто использовали конденсаторы, где диэлектриком между обкладками выступала дистиллированная вода. Такие конденсаторы применяли в экспериментальных установках для формирования сильноточных импульсов. С их помощью получали напряжение до 1МВ с током в разряде до 1МА при длительности импульса в районе 10-15 нс.
Вода и микроволновая печь, миф о резонансе молекулы воды на частоте 2450 МГц
Как известно, в микроволновой печи продукт прогревается на глубину до 2,5 см, а не только по поверхности. Это происходит как раз потому, что полярные молекулы воды поглощают энергию СВЧ-излучения.
Поглощение происходит следующим путем: электрическая компонента электромагнитной волны из магнетрона ускоряет молекулы продукта, обладающие дипольным моментом, особенно — молекулы воды, отличающиеся высокой подвижностью. Молекулы начинают сталкиваться друг с другом, в итоге температура вещества увеличивается.
Бытовые СВЧ-печи работают на частоте 2450 МГц, в связи с чем бытует мнение, мол частота магнетрона микроволновки соответствует резонансной частоте молекулярных колебаний, характерных для воды.
Это неправда. Резонансная частота молекулы воды лежит в диапазоне от 18 до 27 ГГц. А 2,45 ГГц — это оптимальная частота, безопасная и эффективная для цели разогрева продуктов. Такая частота установлена специальными международными соглашениями для микроволновых печей, чтобы они не создавали помех работе радаров и иных устройств, использующих микроволны.
Смотрите также:
Как устроены и работают опреснительные установки
Получение водорода электролизом воды - технология и оборудование
Андрей Повный