Электрические свойства воды. Применение и особенности

Вода занимает в жизни человека особое место, поскольку ее применение не ограничивается одними бытовыми нуждами. При рассмотрении химического состава этой субстанции обнаруживается много интересного и познавательного. Оказывается, что электрические свойства воды превращают ее в уникальное сырье, используемое в самых различных целях.

Электрические свойства воды как следствие ее особой структуры

Для ознакомления с особенностями структуры воды сначала рассмотрим строение ее молекулы, которое характеризуется ковалентной атомной связью. Последняя образуется за счет перекрытия валентных электронов двух соседних атомов. Именно эта связь удерживает химическую молекулу в устойчивом состоянии.

Специфика устройства также проявляется в том, что атомы водорода и кислорода здесь соединяются особым образом. Угол между осями этих двух элементов составляет строго 104° 27′.

Elektricheskie svoistva vody 2

Из-за значительной разности электрических зарядов атомов кислорода и водорода электронное облако смещено в сторону первого из них. Именно поэтому молекула воды обладает значительным по величине дипольным моментом p, равным 1,84 Д. Это означает, что в нормальных условиях она имеет полярность, превращающую ее в электрический диполь.

Вода – эффективный растворитель

Электрические свойства воды – причина того, что она проявляет себя как хороший растворитель для целого ряда веществ, молекулы которых обладают схожим дипольным моментом. Процесс образования химических связей описывается следующим образом:

При растворении, самые мелкие частицы реагента «окутываются» сравнительно небольшими водными молекулами.
Положительно заряженные зоны вещества притягивают их с той стороной, где атом кислорода проявляет особую активность (высокую валентность).
Одновременно с этим его отрицательно заряженные части испытывают притяжение со стороны, где располагаются атомы водорода.

Именно эти электрические свойства воды (способность растворять другие вещества) особо востребованы в природе и в человеческом быту. Они реализуются на межклеточном уровне, что позволяет различным по структуре веществам взаимодействовать между собой (вступать в реакцию друг с другом). На рисунке изображено, как растворяется поваренная соль.

Elektricheskie svoistva vody 3

Способность воды растворять известные химические соединения возрастает с повышением окружающей температуры и резко понижается с ее уменьшением. Этим фактом объясняется эффект оседания солей из водных масс в минерализованных водоемах и озерах (он чаще всего наблюдается с наступлением холодов – в осенний и зимний период). Электрические свойства воды интересны еще и потому, что она по своим характеристикам – хороший изолятор или проводник (в зависимости от обстоятельств).

Электротехнические свойства

Чистая дистиллированная вода проявляет себя как хороший изолятор, в нормальных условиях состоящий из ионов. Концентрация положительных молекул H3O+ и отрицательных ионов OH- не превышает в ней величины порядка10-7 моль/литр.

Электрическая прочность чистой (без примесей) воды, являющейся хорошим изолятором, в среднем составляет 0,5 МВ/см. Но поскольку она обладает свойствами растворителя – в реальности в ней всегда присутствуют мельчайшие частицы солей в виде отрицательно и положительно заряженных ионов. В обычных бытовых условиях вода из-под крана хорошо проводит электрический ток.

По показателю электропроводности при желании можно определить чистоту исследуемой жидкости. Но поскольку эта характеристика в значительной мере зависит от степени ее минерализации – оценить точное значение удается с большим трудом. Несмотря на это, экспериментальным путем получены приблизительные результаты, согласно которым выяснился следующий факт. Если в литр дистиллированной воды добавить всего один грамм поваренной соли – удельная электропроводность получившегося раствора составит 1990 мкС/см (в нормальных условиях).

Электрические свойства воды можно описать и другим примером, позволяющим оценить ее проводимость более наглядно. Для этого следует взять стеклянную трубку сечением 1 см2 и длиной один метр, а затем заполнить ее водным раствором поваренной соли с указанной выше концентрацией. После этого необходимо измерить сопротивление водного столбика, которое в нормальных условиях будет соответствовать примерно 50 кОм.

Диэлектрические характеристики воды

Дистиллированная вода по своим электрическим свойствам относится к группе полярных диэлектриков, характеризующихся особым устройством составляющих ее молекул. Особенность состоит в том, что ее ядро и электроны находятся относительно друг друга на некотором удалении. Это приводит к сдвигу от нейтрального положения и образованию положительной и отрицательной полярности.

Очищенная от примесей дистиллированная вода также обладает диэлектрическими свойствами, которые зависят от окружающих условий (от температуры и давления в частности).

Elektricheskie svoistva vody 4

Известно, что если поместить полярный диэлектрик во внешнее электростатическое поле – составляющие его структуру диполи перестроятся определенным образом. Они расположатся в таком порядке, чтобы собственный вектор напряженности был ориентирован в сторону, противоположную тому же показателю внешнего воздействия. Все это свидетельствует о том, что на основе воды, в принципе, можно изготавливать конденсаторы большой емкости (она в них будет выполнять функцию полярного диэлектрика).

Небольшой экскурс в историю использования водных сред в качестве изолятора указывает на бесперспективность принятия такого решения. Еще в прошлом веке во многих НИИ разрабатывались конденсаторы, в которых в качестве диэлектрика использовалась дистиллированная вода. Они применялись в специально изготовленных экспериментальных установках с целью получения сильноточных импульсов большой амплитуды.

С их помощью удавалось получать огромные напряжения (до одного мегавольта) с максимальным разрядным током порядка миллионов Ампер. При этом длительность формируемого импульса составляла величину, равную примерно 10-15 нс. Но постепенно эти разработки были прекращены, поскольку появились удобные в применении и более эффективные изолирующие материалы.

Различные агрегатные состояния воды и их электрические характеристики

Известно, что вода может находиться в нескольких агрегатных состояниях (в твердом, жидком и газообразном). При переходе из одного в другое электрические свойства воды частично сохраняются. Так, знакомый всем снег отличается низкой электрической проводимостью, благодаря чему его обычно относят к категории диэлектриков.

Сухой лед обладает неоднородными электрическими свойствами, значительно изменяющимися в зависимости от его температуры. Парообразное состояние по своим характеристикам практически не отличается от аналогичных свойств обычной воды.

Электрические свойства воды и миф об ее нагреве в СВЧ печах

постоянно подпитываемый слухами миф о резонансе молекул воды при ее нагревании на частотах, близких к значению 2450 МГц. Указанный показатель имеют большинство продающихся в магазинах бытовых нагревательных СВЧ приборов. Также известно, что помещенные в микроволновую печь продукты, прогреваются не только в поверхностной части. При размещении в ней нагреву подвергаются и более глубинные слои пищи (до 2,5 см). Этот эффект объясняется тем, что полярные молекулы поглощают энергию СВЧ излучения с последующим нагреванием продукта в отдельных зонах.

Процедура поглощения может быть описана следующим образом:

Действующее в СВЧ печи (в основном узле – магнетроне) электрическое поле «возбуждает» молекулы, обладающие дипольным моментом.
Наибольшая часть энергии приходится на те диполи, которые отличаются большой подвижностью.
После этого они начинают интенсивное движение, и сталкиваются друг с другом.
Итог такой молекулярной активности – повышение температуры размещенного в СВЧ печи продукта.

Все это свидетельствует о связи резонансных явлений с нагревом в микроволновых печах. Однако ошибочными в этом рассуждении являются утверждения, что частота магнетрона СВЧ печей совпадает с тем же показателем для молекул воды.

Факты, опровергающие миф о резонансе

В действительности собственная частотная характеристика воды охватывает достаточно широкий диапазон, занимающий полосу от 18 до 27 ГГц. Эти значения существенно отличаются от характерного для СВЧ печей показателя, равного 2450 МГц. При разработке бытовых нагревательных приборов частота магнетрона выбиралась с соблюдением требований техники безопасности и полного исключения вредных последствий для человека. Это ее значение одобрено и утверждено международными соглашениями для изделий этого класса.

Кроме того, согласно этим договоренностям рабочая частота СВЧ должна быть такой, чтобы не создавать помех функционированию других приборов. Это требование касается некоторых разновидностей радаров, а также подобных им устройств, работа которых сопровождается микроволновыми излучениями.