Вода. Тяжелая вода
Другие рефераты
Содержание
1. Вода в природе стр. 3
2. Физические свойства воды стр.3
3. Диаграмма состояния воды стр.6
4. Химические свойства воды стр.8
5. Тяжелая вода стр.10
6. Библиография стр.11
1. Вода в природе. Вода — весьма распространенное на Земле вещество. Почти
3/4 поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки и
озера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в
атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на
вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находитcя
вода, пропитывающая почву и горные породы.
Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является
дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных
примесей, которые захватывает из воздуха.
Количество примесей в пресных водах обычно лежит в пределах от 0,01 до
0,1% (масс.). Морская вода содержит 3,5% (масс.) растворенных веществ,
главную массу которых составляет хлорид натрия (поваренная соль).
Вода, содержащая значительное количество солей кальция и магния,
называется жесткой в отличие от мягкой воды, например дождевой. Жесткая
вода дает мало пены с мылом, а на стенках котлов образует накипь.
Чтобы освободить природную воду от взвешенных в ней частиц, ее фильтруют
сквозь слой пористого вещества, например, угля, обожженной глины и т. п.
При фильтровании больших количеств воды пользуются фильтрами из песка и
гравия. Фильтры задерживают также большую часть бактерий. Кроме того, для
обеззараживания питьевой воды ее хлорируют; для полной стерилизации воды
требуется не более 0,7 г хлора на 1 т воды.
Фильтрованием можно удалить из воды только нерастворимые примеси.
Растворенные вещества удаляют из нее путем перегонки (дистилляции) или
ионного обмена.
Вода имеет очень большое значение в жизни растений, животных и человека.
Согласно современным представлениям, само происхождение жизни связывается с
морем. Во всяком организме вода представляет собой среду, в которой
протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма;
кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций.
2. Физические свойства воды. Чистая вода представляет собой бесцветную
прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в
жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При
нагревании воды от 0 до 4°С плотность ее также увеличивается. При 4°С вода
имеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании ее плотность
уменьшается.
Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в
твердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего
большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных
вод охлаждались. бы до 0°С и опускались на дно, освобождая место более
теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не
приобрела бы температуру 0°С. Далее вода начинала бы замерзать,
образующиеся льдины погружались бы на дно и водоем промерзал бы на всю его
глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как
наибольшей плотность вода достигает при 4 °С, то перемещение ее слоев,
вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При
дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей
плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие
ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.
Большое значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода. обладает
аномально высокой теплоемкостью [4,18 Дж/(г[pic]К)], Поэтому .в ночное
время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем
или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким
образом, регулятором температуры на земном шаре.
В связи с тем, что при плавлении льда объем, занимаемый водой,
уменьшается, давление понижает температуру плавления льда. Эта вытекает из
принципа Ле Шателье. Действительно, пусть. лед и жидкая вода находятся в
равновесии при О°С. При увеличении давления равновесие, согласно принципу
Ле Шателье, сместится в сторону образования той фазы, которая при той же
температуре занимает меньший объем. Этой фазой является в данном случае
жидкость. Таким образом, возрастание давления при О°С вызывает превращение
льда в жидкость, а это и означает, что температура плавления льда
снижается.
Молекула воды имеет угловое строение; входящие в ее состав ядра образуют
равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в
вершине — ядро атома кислорода, Межъядерные расстояния О—Н близки к 0,1 нм,
расстояние между ядрами атомов водорода равно примерно 0,15 нм. Из восьми
электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в
молекуле воды
[pic]
две электронные пары образуют ковалентные связи О—Н, а остальные четыре
электрона представляют собой две неподеленных электронных пары.
Атом кислорода в молекуле воды находится в состоянии [pic]-гибридизации.
Поэтому валентный угол НОН (104,3°) близок к тетраэдрическому (109,5°).
Электроны, образующие связи О—Н, смещены к более электроотрицательному
атому кислорода. В результате атомы водорода приобретают эффективные
положительные заряды, так что на этих атомах создаются два положительных
полюса. Центры отрицательных зарядов неподеленных электронных пар атома
кислорода, находящиеся на гибридных [pic]- орбиталях, смещены относительно
ядра атома и создают два отрицательных полюса
[pic]
Молекулярная масса парообразной воды равна 18 и отвечает ее простейшей
формуле. Однако молекулярная масса жидкой воды, определяемая путем изучения
ее растворов в других растворителях оказывается более, высокой. Это
свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т.
е. соединение их в более сложные агрегаты. Такой вывод подтверждается и
аномально высокими значениями температур плавления и кипения воды.
Ассоциация молекул воды вызвана образованием между ними водородных связей.
В твердой воде (лед) атом кислорода каждой молекулы участвует в
образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды согласно
схеме,
[pic] [pic]
в которой водородные связи показаны пунктиром. Схема объемной структуры
льда изображена на рисунке. Образование водородных связей приводит к такому
расположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другом
своими разноименными полюсами. Молекулы образуют слои, причем каждая из них
связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной — из
соседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в
ней существуют пустоты, размеры наименее плотным структурам, в ней
существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы
[pic].
При плавлении льда его структура разрушается. Но и в жидкой воде
сохраняются водородные связи между молекулами: образуются ассоциаты — как
бы обломки структуры льда, — состоящих из большего или меньшего числа
молекул воды. Однако в отличит от льда каждый ассоциат существует очень
короткое время: постоянно происходит разрушение одних и образование других
агрегатов. В пустотах таких «ледяных» агрегатов могут размещаться одиночные
молекулы воды; при этом упаковка молекул воды становится более плотной.
Именно поэтому при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, а
ее плотность возрастает.
По мере нагревания воды обломков структуры льда в ней становится все
меньше, что приводит к дальнейшему повышению плотности воды. В интервале
температур от 0 до 4°С этот эффект преобладает над тепловым расширением,
так что плотность воды продолжает возрастать. Однако при нагревании выше
4°С преобладает влияние усиления теплового движения молекул и плотность
воды уменьшается. Поэтому при 4°С вода обладает максимальной плотностью.
При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных
связей (энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25
кДж/моль). Этим объясняется высокая теплоемкость воды.
Водородные связи между молекулами воды полностью разрываются только при
переходе воды в пар.
3. Диаграмма состояния воды. Диаграмма состояния (или фазовая диаграмма)
представляет собой графическое изображение зависимости между величинами,
характеризующими состояние системы, и фазовыми превращениями в системе
(переход из твердого состояния в жидкое, из жидкого в газообразной и т.
д.). Диаграммы состояния широко применяются в химии. Для однокомпонентных
систем обычно используются диаграммы состояния, показывающие зависимость
фазовых превращений от температуры и давления; они называются диаграммами
состояния в координатах Р—Т.
На рисунке приведена в схематической форме (без строгого соблюдения
масштаба) диаграмма состояния воды. Любой точке на диаграмме отвечают
определенные значения температуры и давления.
Диаграмма показывает те состояния воды, которые термодинамически
устойчивы при определенных значениях температуры и давления. Она состоит из
трех кривых, разграничивающих все возможные температу
| |  скачать работу |
Другие рефераты
| 
