Удивительные свойства воды
ие, отличное от равновесного,
например, меньшее, чем равновесное. Для этого освободим поршень и поднимем
его. В первый момент давление в цилиндре, действительно, упадет, но вскоре
равновесие восстановится: испарится добавочно некоторое количество воды и
давление вновь достигнет равновесного значения. Только тогда, когда вся
вода испарится, можно осуществить давление, меньшее, чем равновесное.
Отсюда следует, что точкам, лежащим на диаграмме состояния ниже или правее
кривой ОА, отвечает область пара. Если пытаться создать давление,
превышающее равновесное, то этого можно достичь, лишь опустив поршень до
поверхности воды. Иначе говоря, точкам диаграммы, лежащим выше или левее
кривой ОА, отвечает область жидкого состояния.
До каких пор простираются влево области жидкого и парообразного
состояния? Наметим по одной точке в обеих областях, и будем двигаться от
них горизонтально влево. Этому движению точек на диаграмме отвечает
охлаждение жидкости или пара при постоянном давлении. Известно, что если
охлаждать воду при нормальном атмосферном давлении, то при достижении 0°С
вода начнет замерзать. Проводя аналогичные опыты при других давлениях,
придем к кривой ОС, отделяющей область жидкой воды от области льда. Эта
кривая — кривая равновесия твердое состояние — жидкость, или кривая
плавления,— показывает те пары значений температуры и давления, при которых
лед и жидкая вода находятся в равновесии.
Двигаясь по горизонтали влево в области пара (в нижнею части диаграммы),
аналогичным образом придем к кривой 0В. Это—кривая равновесия твердое
состояние—пар, или кривая сублимации. Ей отвечают те пары значений
температуры к давлению, при которых в равновесии находятся лед и водяной
пар.
Все три кривые пересекаются в точке О. Координаты этой точки — это
единственная пара значений температуры и давления,. при которых в
равновесии могут находиться все три фазы: лед, жидкая вода и пар. Она носит
название тройной точки.
Кривая плавления исследована до весьма высоких давлений, В этой области
обнаружено несколько модификаций льда (на диаграмме не показаны).
Справа кривая кипения оканчивается в критической точке. При температуре,
отвечающей этой точке, — критической температуре — величины,
характеризующие физические свойства жидкости и пара, становятся
одинаковыми, так что различие между жидким и парообразным состоянием
исчезает.
Существование критической температуры установил в 1860 г. Д. И.
Менделеев, изучая свойства жидкостей. Он показал, что при температурах,
лежащих выше критической, вещество не может находиться в жидком состоянии.
В 1869 г. Эндрьюс, изучая свойства газов, пришел к аналогичному выводу.
Критические температура и давление для различных веществ различны. Так,
для водорода [pic] = —239,9 °С, [pic]= 1,30 МПа, для хлора [pic]=144°С,
[pic]=7,71 МПа, для воды [pic]= 374,2 °С, [pic]=22,12 МПа.
Одной из особенностей воды, отличающих ее от других веществ, является
понижение температуры плавления льда с ростом давления. Это обстоятельство
отражается на диаграмме. Кривая плавления ОС на диаграмме состояния воды
идет вверх влево, тогда как почти для всех других веществ она идет вверх
вправо.
Превращения, происходящие с водой при атмосферном давлении, отражаются на
диаграмме точками или отрезками, расположенными на горизонтали, отвечающей
101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Так, плавление льда или кристаллизация воды
отвечает точке D, кипение воды — точке Е, нагревание или охлаждение воды —
отрезку DE и т. п.
Диаграммы состояния изучены для ряда веществ, имеющих научное или
практическое значение. В принципе они подобны рассмотренной диаграмме
состояния воды. Однако на диаграммах состояния различных веществ могут быть
особенности. Так, известны вещества, тройная точка которых лежит при
давлении, превышающем атмосферное. В этом случае нагревание кристаллов при
атмосферном давлении приводит не к плавлению этого вещества, а к его
сублимации - превращению твердой фазы непосредственно в газообразную.
Гл 6. Тяжелая вода. При электролизе обычной воды, содержащей наряду с
молекулами Н[pic]О также незначительное количество молекул D[pic]O,
образованных тяжелым изотопом водорода, разложению подвергаются
преимущественно молекулы Н[pic]О. Поэтому при длительном электролизе воды
остаток постепенно обогащается молекулами D[pic]O. Из такого остатка после
многократного повторения электролиза в 1933 г. впервые удалось выделить
небольшое количество воды, состоящей почти на 100% из молекул D[pic]О и
получившей название тяжелой воды.
По своим свойствам тяжелая вода заметно отличается от обычной воды
(таблица). Реакции с тяжелой водой протекают медленнее, чем с обычной.
Тяжелую воду применяют в качестве замедлителя нейтронов в ядерных
реакторах.
|Константа |Н[pic]О |D[pic]О |
|Молекулярная масса |18 |20 |
|Температура замерзания, °С, |0 |3,8 |
|Температура кипения, °С, |100 |101,4 |
|Плотность при 25°С, г/см |0,9971 |1,1042 |
|Температура максимальной |4 |11,6 |
|плотности, °С | | |
Гл. 7. Ионный состав природных вод. Происходящее в почвах процессы
окисления органических веществ вызывают расход кислорода и выделение
углекислоты, поэтому в воде при фильтрации её через почву возрастает
содержание углекислоты, что приводит к обогащению природных вод карбонатами
кальция, магния и железа, с образованием растворимых в воде кислых солей
типа:
CaCO3 + H2O + CO2 ( Ca(HCO3)2
Бикарбонаты присутствуют почти во всех водах в тех или иных
количествах. Большую роль в формировании химического состава воды играют
подстилающие почву грунты, с которыми вода вступает в соприкосновение,
фильтруясь и растворяя некоторые минералы. Особенно интенсивно обогащают
воды осадочные породы, такие, как известняки, доломиты, мергели, гипс,
каменная соль и др. В свою очередь почва и породы обладают способностью
адсорбировать из природной воды некоторые ионы (например, Ca2+ , Mg2+),
замещая их эквивалентным количество других ионов (Na+ , K+).
Подпочвенными водами легче всего растворяются хлориды и сульфаты
натрия и магния, хлорид кальция. Силикатные и алюмосиликатные породы
(граниты, кварцевые породы и т.д.) почти нерастворимы в воде и содержащей
углекислоту и органические кислоты.
Наиболее распространенными в природных водах являются следующие ионы:
Cl- ,SO[pic] ,HCO[pic] ,CO[pic] ,Na+ ,Mg2+ ,Ca2+ ,H+.
Ион хлора присутствует почти во всех природных водоемах, причем его
содержание меняется в очень широких пределах. Сульфат - ион также
распространен повсеместно. Основным источником растворенных в воде
сульфатов является гипс. В подземных водах с содержанием сульфат - иона
обычно выше, чем в воде рек и озер. Из ионов щелочных металлов в природных
водоемах в наибольших количествах находится ион натрия, который является
характерным ионом сильноминерализованных вод морей и океанов.
Ионы кальция и магния в маломинерализованных водах занимают первое
место. Основным источником ионов кальция является известняки, а магния -
доломиты (MgCO3 ,CaCO3). Лучшая растворимость сульфатов и карбонатов магния
позволяет присутствовать ионам магния в природных водах в больших
концентрациях, чем ионов кальция.
Ионы водорода в природной воде обусловлены диссоциацией угольной
кислоты. Большинство природных вод имеют pH в пределах 6,5 - 8,5. Для
поверхностных вод в связи с меньшим содержанием в них углекислоты pH обычно
выше, чем для подземных.
Соединения азота в природной воде представлены ионами аммония,
нитритными, нитратными ионами за счет разложения органических веществ
животного и растительного происхождения. Ионы аммония, кроме того, попадают
в водоемы со сточными промышленными водами.
Соединения железа очень часто встречаются в природных водах, причем
переход железа в раствор может происходить под действием кислорода или
кислот (угольной, органических). Так например, при окислении весьма
распространенного в породах пирита получается сернокислое железо:
FeS2 + 4O2 ( Fe2+ + 2SO[pic], а при действии угольной кислоты -
карбонат железа:
FeS2 + 2H2CO3 ( Fe2+ + 2HCO3 + H2S + S.
Соединения кремния в природных водах могут быть в виде кремниевой
кислоты. При pH < 8 кремниевая кислота находится практически в
недиссоциированном виде; при pH >8 кремниевая кислота присутствует
совместно с HSiO[pic], а при pH >II - только HSiO[pic]. Часть кремния
находится в коллоидном состоянии, с частицами состава HSiO2(H2O , а также в
виде поликремневой кислоты: X(SiO2(Y(H2O. В природных водах присутствуют
также Al3+ ,Mn2+ и другие катионы.
Помимо веществ ионного типа природные воды содержат также газы и
органические и грубоцисперсные взвеси. Наиболее распространенными в
природных водах газами являются кислород и углекислый газ. Источником
кислорода является атмосфера, углекислоты - биохимические процессы,
происходящие в глубинных слоях земной коры, углекислота из атмосферы.
Из органических веществ, попадающих извне, следует отметить гуминовые
вещества, вымываемые водой из гумусовых почв (торфяников, сапропелитов и
др.). Большая часть из них находится в коллоидном состоянии.
| |  скачать работу |
Удивительные свойства воды |
