Грамм величина условная.
Грамм это масса и вес 1 кубического сантиметра воды при 4 °C температуре максимальной плотности воды.
И еще одно замечательное свойство воды нашло применение в системе единиц. Поставьте утюг весом в 1 килограмм на электрическую плитку, на такую же плитку поставьте килограмм воды в алюминиевой кастрюле. Через некоторое время до утюга не дотронешься, а вода будет лишь теплой. Ведь для нагревания на 1 градус она требует значительно больше тепла, чем любое другое вещество. Количество тепла, поглощенное одним граммом какого-либо вещества при нагревании на 1 градус, называется удельной теплоемкостью. Вода обладает самой высокой удельной теплоемкостью, которая и принята за единицу количества тепла калорию.
Судите сами: перед нами пруд; температура его поверхности достигла +4 градуса. Вода при такой температуре обладает максимальной плотностью; следовательно, верхние слои ее идут на дно. Становится холоднее, температура достигает 0 градусов, поверхностные слои не идут на дно, а остаются на своем месте, превращаясь в лед. Чем сильнее мороз, тем толще корка льда, но под этой коркой все же вода.
Лед, обладающий малой теплопроводностью, как бы ватным одеялом предохраняет нижние слои воды от переохлаждения. Лед легче воды. При 0 градусов вода более легка, чем при +4 °C. Качественно новое состояние воды лед («твердая вода») обладает еще более «рыхлым» строением.
Большая теплоемкость воды определяет в значительной мере климат планеты. Почва быстро нагревается, но и быстро отдает тепло. Вода же не транжирит летнее тепло, полученное от Солнца. В течение всей зимы океаны и моря подогревают воздух
Вода медленно нагревается, и столь же медленно плавится лед. Чтобы превратить его в воду, надо сообщить определенное количество теплоты, называемое теплотой плавления. Теплота, необходимая для плавления 1 грамма вещества, называется удельной теплотой плавления. Для льда она равна 80 калориям, только алюминий обладает большей удельной теплотой плавления.
Как много тепла надо для того, чтобы 1 грамм воды превратить в пар? 538 калорий. Вода обладает наибольшей теплотой парообразования среди всех известных жидкостей. Энергия водяного пара вот уже много десятилетий движет паровозы и пароходы, лопатки паровых турбин.
Аномальное поведение воды связано с особенностью ее структуры. Молекула воды несимметрична: центры «тяжестей» положительного и отрицательного заряда в ней не совпадают. Она полярна и, как магнит, обладает двумя полюсами: один положительный заряд атомов водорода, другой отрицательный заряд кислорода. В воде образуются так называемые водородные связи. Водород одной молекулы воды вступает в связь с кислородом другой.
Водород в воде соединен с двумя кислородами сразу: со «своим» и с «чужим». Со «своим» он связан крепче. Заметим, что в воде водородные связи гораздо прочнее, чем в других жидкостях, обладающих такой же способностью.
Следовательно, молекулы воды соединены
друг с другом прочнее, чем молекулы какой-либо другой жидкости.
Ну, а как они расположены? Начнем со льда воды в твердом состоянии. Предположим, нам дана задача расположить в ящике бильярдные шары так, чтобы их поместилось как можно меньше, и в то же время так, чтобы они образовали устойчивую структуру. Решив ее, мы обнаружим, что в нашем сосуде один шар соприкасается только с четырьмя другими. Укладка шаров здесь обладает малой плотностью: она ажурна, в ней много пустот, размеры которых несколько больше размеров шаров. Заменим теперь шары молекулами воды перед нами структура льда. Молекулы между собой соединяются водородными связями. Потрясем сосуд структура льда нарушится, и, конечно, в сторону уплотнения. Плавление льда это своеобразная «встряска» его структуры.
Поскольку молекулы воды обладают довольно сильными водородными связями, ее структура пространственная сетка ее молекул в основном повторяет структуру льда. Это доказано рентгенографическими исследованиями. Когда лед плавится, происходит частичное заполнение пустот его структуры. Отсюда увеличение плотности и уменьшение объема.
Дальнейшее повышение температуры от 0 до +4 °C сопровождается следующими процессами: с одной стороны, молекулы воды усиливают свои колебания вокруг центра равновесия, с другой все большее количество молекул попадает в пустоты. Получается более экономичная структура, отчего вода достигает максимума плотности. Увеличение температуры ведет к усилению колебаний молекул вокруг центра равновесия, а значит, к увеличению объема.
С заполнением структурных «пустот» молекулами воды связана большая теплоемкость жидкости. Теплота идет на разрыв водородных связей молекулы: попав в «пустоту», она освобождается от связей с другими молекулами. Этим же объясняется и большая величина теплоты парообразования: энергия здесь тратится на разрыв водородных связей.
Таким образом, аномалии свойств воды связаны со структурной ажурностью ее, с одной стороны, и прочностью водородных связей с другой.