Вода в природе. Тяжелая вода
Другие рефераты
Содержание
1. Вода в природе
2. Физические свойства воды
3. Диаграмма состояния воды
4. Химические свойства воды
5. Тяжелая вода
6. Библиография
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 находится
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 отличие ото 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 температуры и давления на три
области, отвечающие льду, жидкости и пару.
[pic]
Рассмотрим каждую из кривых более подробно. Начнем с кривой ОА (рис. 73) ,
отделяющей область пара от области жидкого состояния. Представим себе
цилиндр, из которого удален воздух, после чего в него введено некоторое
количество чистой, свободной от растворенных веществ, в том числе от газов,
воды; цилиндр снабжен поршнем, который закреплен в некотором положении.
Через некоторое время часть воды испарится и над ее поверхностью будет
находиться насыщенный пар. Можно измерить его давление и убедиться в том,
что оно не изменяется с течением времени и не зависит от положения поршня.
Если увеличить температуру всей системы и вновь измерить давление
насыщенного пара, то окажется, что оно возросло. Повторяя такие измерения
при различных температурах, найдем
| |  скачать работу |
Другие рефераты
| 
