Зміст Вода в природі стор 3 Фізичні властивості води стор.3 Діаграма стану води стор.6 Хімічні властивості води стор.8 Важка вода стор.10 Бібліографія стор.11

1. Вода в природі. Вода - дуже поширене на Землі речовина. Майже 3/4 поверхні земної кулі покриті водою, що утворює океани, моря, ріки й озера. Багато води знаходиться в газоподібному стані у вигляді пари в атмосфері; у вигляді величезних мас снігу і льоду лежить вона цілий рік на вершинах високих гір і в полярних країнах. У надрах землі також находітcя вода, просочуються грунт і гірські породи.

Природна вода не буває цілком чистою. Найбільш чистою є дощова вода, але і вона містить незначні кількості різних домішок, які захоплює з повітря.

Кількість домішок у прісних водах звичайно лежить в межах від 0,01 до 0,1% (мас.). Морська вода містить 3,5% (мас.) розчинених речовин, головну масу яких складає хлорид натрію (кухонна сіль).

Вода, що містить значну кількість солей кальцію і магнію, називається жорсткої на відміну від м'яких води, наприклад дощової. Жорстка вода дає мало піни з милом, а на стінках казанів утворює накип.

Щоб звільнити природну воду від зважених в ній частинок, її фільтрують крізь шар пористого речовини, наприклад, вугілля, обпаленої глини і т. п. При фільтруванні великих кількостей води користуються фільтрами з піску і гравію. Фільтри затримують також велику частину бактерій. Крім того, для знезараження питної води її хлорують; для повної стерилізації води потрібно не більше 0,7 г хлору на 1 т води.

фільтр можна видалити з води тільки нерозчинні домішки. Розчинені речовини видаляють з неї шляхом перегонки (дистиляції) або іонного обміну.

Вода має дуже велике значення в житті рослин, тварин і людини. Відповідно до сучасних уявлень, саме походження життя зв'язується з морем. У всякому організмі вода є середовище, в якому протікають хімічні процеси, що забезпечують життєдіяльність організму; крім того, вона сама бере участь у цілому ряді біохімічних реакцій.

2. Фізичні властивості води. Чиста вода являє собою безбарвну прозору рідину. Щільність води при переході її з твердого стану в рідкий не зменшується, як майже у всіх інших речовин, а зростає. При нагріванні води від 0 до 4 ° С густина її також збільшується. При 4 ° С вода має максимальну щільність, і лише при подальшому нагріванні її щільність зменшується.

Якби при зниженні температури і при переході з рідкого стану в твердий щільність води змінювалася так само, як це відбувається у переважної більшості речовин, то при наближенні зими поверхневі шари природних вод охолоджувалися. б до 0 ° С і опускалися на дно, звільняючи місце більш теплим верствам, і так тривало б до тих пір, поки вся маса водойми не набула б температуру 0 ° С. Далі вода починала б замерзати, що утворюються крижини занурювалися б на дно і водойма промерзали б на всю його глибину. При цьому багато хто форми життя у воді були б неможливі. Але так як найбільшою щільність вода досягає при 4 ° С, то переміщення її шарів, викликане охолодженням, закінчується при досягненні цієї температури. При подальшому зниженні температури охолодженим шар, що володіє меншою щільністю, залишається на поверхні, замерзає і тим самим захищає що лежать нижче шари від подальшого охолодження і замерзання.

Велике значення в житті природи має і той факт, що вода. має аномально високу теплоємність [4,18 Дж/(ГК)], Тому. в нічний час, а також при переході від літа до зими вода охолоджується повільно, а вдень або при переході від зими до літа так само повільно нагрівається, будучи, таким чином, регулятором температури на земній кулі.

У зв'язку з тим, що при плавленні льоду об'єм, який займає водою, зменшується, тиск знижує температуру плавлення льоду. Ця випливає з принципу Лешательє. Дійсно, нехай. лід та рідка вода знаходяться в рівновазі при О ° С. При збільшенні тиску рівновагу, згідно з принципом Лешательє, зміститься у бік освіти тієї фази, що при тій же температурі займає менший обсяг. Цією фазою є в даному випадку рідина. Таким чином, зростання тиску при О ° С викликає перетворення льоду на рідину, а це і означає, що температура плавлення льоду знижується.

Молекула води має кутове будову; що входять до її складу ядра утворюють трикутник, в основі якого знаходяться два протони, а в вершині - ядро атома кисню, Меж'ядерние відстані О-Н близькі до 0,1 нм, відстань між ядрами атомів водню дорівнює приблизно 0,15 нм. З восьми електронів, що складають зовнішній електронний шар атома кисню в молекулі води

дві електронні пари утворюють ковалентні зв'язку О-Н, а інші чотири електрона являють собою дві неподіленого електронних пари.

Атом кисню в молекулі води перебуває в стані-гібридизації. Тому валентний кут НОН (104,3 °) близький до тетраедричних (109,5 °). Електрони, що утворюють зв'язку О-Н, зміщені до більш електронегативного атома кисню. У результаті атоми водню набувають ефективні позитивні заряди, так що на цих атомах створюються два позитивних полюса. Центри негативних зарядів неподіленого електронних пар атома кисню, що знаходяться на гібридних - орбіталях, зміщені щодо ядра атома і створюють два негативних полюса

Молекулярна маса пароподібний води дорівнює 18 і відповідає її простою формулою. Однак молекулярна маса рідкої води, який визначається шляхом вивчення її розчинів в інших розчинниках виявляється більше, високою. Це свідчить про те, що в рідкій воді відбувається асоціація молекул, тобто поєднання їх у більш складні агрегати. Такий висновок підтверджується і аномально високими значеннями температур плавлення і кипіння води. Асоціація молекул води викликана утворенням між ними водневих зв'язків.

У твердій воді (лід) атом кисню кожної молекули бере участь в утворенні двох водневих зв'язків з сусідніми молекулами води згідно зі схемою,

в якій водневі зв'язки показані пунктиром. Схема об'ємної структури льоду зображена на малюнку. Освіта водневих зв'язків призводить до такого розташування молекул води, при якому вони стикаються один з одним своїми різнойменними полюсами. Молекули утворюють шари, причому кожна з них пов'язана з трьома молекулами, що належать до того ж шару, і з одного - з сусіднього шару. Структура льоду належить до найменш щільним структурам, в ній існують порожнечі, розміри найменш щільним структурам, в ній існують порожнечі, розміри яких кілька перевищують розміри молекули.

При плавленні льоду його структура руйнується. Але і в рідкій воді зберігаються водневі зв'язки між молекулами: утворюються асоціати - як би уламки структури льоду, - що складаються з більшого або меншого числа молекул води. Однак на відміну від льоду кожен асоціатів існує дуже короткий час: постійно відбувається руйнування одних і освіта інших агрегатів. У порожнинах таких "крижаних" агрегатів можуть розміщуватися поодинокі молекули води, при цьому упаковка молекул води стає більш щільною. Саме тому при плавленні льоду об'єм, який займає водою, зменшується, а її щільність зростає.

У міру нагрівання води уламків структури льоду в ній стає все менше, що призводить до подальшого підвищення щільності води. В інтервалі температур від 0 до 4 ° С цей ефект переважає над тепловим розширенням, так що щільність води продовжує зростати. Однак при нагріванні вище 4 ° С переважає вплив посилення теплового руху молекул і щільність води зменшується. Тому при 4 ° С вода має максимальну щільністю.

При нагріванні води частина теплоти витрачається на розрив водневих зв'язків (енергія розриву водневого зв'язку у воді становить приблизно 25 кДж/моль). Цим пояснюється висока теплоємність води.

Водневі зв'язку між молекулами води повністю розриваються тільки при переході води в пару.

3. Діаграма стану води. Діаграма стану (або фазова діаграма) являє собою графічне зображення залежності між величинами, що характеризують стан системи, і фазовими перетвореннями в системі (перехід з твердого стану в рідкий, з рідкого у газоподібному і т. д.) . Діаграми стану широко застосовуються в хімії. Для однокомпонентних систем звичайно використовуються діаграми стану, що показують залежність фазових перетворень від температури і тиску; вони називаються діаграмами стану в координатах Р-Т.

На малюнку наведена в схематичне формі (без суворого дотримання масштабу) діаграма стану води. Будь-який точці на діаграмі відповідають певні значення температури і тиску.

Діаграма показує ті стану води, які термодинамічно стійкі при певних значеннях температури і тиску. Вона складається з трьох кривих, що розмежовують всі можливі температури і тиску на три області, які відповідають льоду, рідини і пару.

Розглянемо кожну з кривих більш докладно. Почнемо з кривою ОА (рис. 73), що відокремлює область пара від області рідкого стану. Уявімо собі циліндр, з якого вилучено повітря, після чого в нього введено деяку кількість чистою, вільною від розчинених речовин, у тому числі від газів, води; циліндр забезпечений поршнем, який закріплений в певному положенні. Через деякий час частина води випарується і над її поверхнею знаходитиметься насичений пар. Можна виміряти його тиск і переконатися в тому, що воно не змінюється з часом і не залежить від положення поршня. Якщо збільшити температуру всієї системи і знову виміряти тиск насиченої пари, то виявиться, що воно зросло. Повторюючи такі виміри при різних температурах, знайдемо залежність тиску насиченої водяної пари від температури. Крива ОА являє собою графік цієї залежності: точки кривої показують ті пари значень температури і тиску, при яких рідка вода і водяна пара перебувають у рівновазі один з одним - співіснують. Крива ОА називається кривою рівноваги рідина-пар або кривої кипіння. У таблиці наведені значення тиску насиченої водяної пари при декількох температурах.

Температура

Тиск насиченої пари

Температура

Тиск насиченої пари

кПа

мм рт. ст.

кПа

мм рт. ст.

0

0,61

4,6

50

12,3

92,5

10

1,23

9,2

60

19,9

149

20

2,34

17,5

70

31,2

234

30

4,24

31,8

80

47.4

355

40

7,37

55,3

100

101,3

760

Спробуємо здійснити в циліндрі тиск, відмінне від рівноважного, наприклад, менше, ніж рівноважний. Для цього звільнимо поршень і піднімемо його. У перший момент тиск в циліндрі, дійсно, впаде, але незабаром рівновага відновиться: випарується додатково деяка кількість води і тиск знову досягне рівноважного значення. Тільки тоді, коли вся вода випарується, можна здійснити тиск, менше, ніж рівноважний. Звідси випливає, що точок, які лежать на діаграмі стану нижче або праворуч від кривої ОА, відповідає область пара. Якщо намагатися створити тиск, що перевищує рівноважний, то цього можна досягти, лише опустивши поршень до поверхні води. Інакше кажучи, точкам діаграми, що лежить вище або ліворуч від кривої ОА, відповідає область рідкого стану.

Доки простягаються вліво області рідкого і пароподібного стану? Намети по одній точці в обох областях і будемо рухатися від них горизонтально вліво. Цьому руху точок на діаграмі відповідає охолодження рідини або пари при постійному тиску. Відомо, що якщо охолоджувати воду при нормальному атмосферному тиску, то при досягненні 0 ° С вода почне замерзати. Проводячи аналогічні досліди при інших тисках, прийдемо до кривої ОС, що відокремлює область рідкої води від області льоду. Ця крива - крива рівноваги твердий стан - рідина, або крива плавлення, - показує ті пари значень температури і тиску, при яких лід і рідка вода знаходяться в рівновазі.

Рухаючись по горизонталі вліво в області пара (у нижній частині діаграми), аналогічним чином прийдемо до кривої 0В. Це-крива рівноваги твердий стан-пар, або крива сублімації. Їй відповідають ті пари значень температури до тиску, при яких в рівновазі знаходяться лід і водяну пару.

Всі три криві перетинаються в точці О. Координати цієї крапки-це єдина пара значень температури і тиску,. при яких в рівновазі можуть знаходитися всі три фази: крига, рідка вода і пара. Вона носить назву потрійної точки.

Крива плавлення досліджена до дуже високих тисків, У цій області виявлено декілька модифікацій льоду (на діаграмі не показані).

Справа крива кипіння закінчується в критичній точці. При температурі, що відповідає цій точці,-критичній температурі-величини, що характеризують фізичні властивості рідини і пари, стають однаковими, так що різниця між рідким і пароподібний стан зникає.

Існування критичної температури встановив в 1860 р. Д. І. Менделєєв, вивчаючи властивості рідин. Він показав, що при температурах, що лежать вище критичної, речовина не може знаходитися в рідкому стані. У 1869 р. Ендрьюс, вивчаючи властивості газів, прийшов до аналогічного висновку.

Критичні температура і тиск для різних речовин різні. Так, для водню = -239,9 ° С, = 1,30 МПа, для хлору = 144 ° С, = 7,71 МПа, для води = 374,2 ° С, = 22,12 МПа.

Однією з особливостей води, що відрізняють її від інших речовин, є зниження температури плавлення льоду зі зростанням тиску. Ця обставина відображається на діаграмі. Крива плавлення ОС на діаграмі стану води йде вгору вліво, тоді як майже для всіх інших речовин вона йде вгору праворуч.

Перетворення, що відбуваються з водою при атмосферному тиску, відображаються на діаграмі точками або відрізками, розташованими на горизонталі, що відповідає 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Так, плавлення льоду або кристалізація води відповідає точці D, кипіння води-точці Е, нагрівання або охолодження води - відрізку DE і т. п.

Діаграми стану вивчені для ряду речовин, що мають наукове або практичне значення. У принципі вони подібні до розглянутої діаграмі стану води. Однак на діаграмах стану різних речовин можуть бути особливості. Так, відомі речовини, потрійна точка яких лежить при тиску, що перевищує атмосферний. У цьому випадку нагрівання кристалів при атмосферному тиску призводить не до плавлення цієї речовини, а до його сублімації - перетворення твердої фази безпосередньо в газоподібну.

4. Хімічні властивості води. Молекули води відрізняються великою стійкістю до нагрівання. Проте при температурах вище 1000 ° С водяна пара починає розкладатися на водень і кисень:

2НО 2Н + О

Процес розкладу речовини в результаті його нагрівання називається термічною дисоціацією. Термічна дисоціація води протікає з поглинанням теплоти. Тому, згідно з принципом Лешательє, чим вища температура, тим більшою мірою розкладається вода. Однак навіть при 2000 ° С ступінь термічної дисоціації води не перевищує 2%, тобто рівновагу між газоподібної водою і продуктами її дисоціації - воднем і киснем - все ще залишається зрушеним у бік води. При охолодженні ж нижче 1000 ° С рівновага практично повністю зміщується у цьому напрямку.

Вода - досить реакційноздатні речовина. Оксиди багатьох металів і неметалів з'єднуються з водою, утворюючи основи і кислоти; деякі солі утворюють з водою кристалогідрати; найбільш активні метали взаємодіють з водою з виділенням водню.

Вода має також каталітичної здатністю. У відсутність слідів вологи практично не протікають деякі звичайні реакції; наприклад, хлор не взаємодіє з металами, фтороводень не роз'їдає скло, натрій не окислюється в атмосфери повітря.

Вода здатна з'єднуватися з рядом речовин, що знаходяться при звичайних умовах в газоподібному стані, утворюючи при цьому так: звані гідрати газів. Прикладами можуть служити з'єднання Хе6НО, CI8HO, СН6НО, СН17НО, які випадають у вигляді кристалів при температурах від 0 до 24 ° С (зазвичай при підвищеному тиску відповідного газу). Подібні з'єднання виникають в результаті заповнення молекулами газу ( "гостя") міжмолекулярних порожнинїй, що є в структурі води ( "господаря"); вони називаються сполуками включення або клатрати.

У клатратних з'єднаннях між молекулами "гостя" і "господаря" утворюються лише слабкі міжмолекулярні зв'язку; включена молекула не може покинути свого місця в порожнині кристала переважно з-за просторових утруднень Тому клатрати - нестійкі сполуки, які можуть існувати лише при порівняно низьких температурах.

клатрати використовують для розділення вуглеводнів і шляхетних газів. Останнім часом освіта і руйнування клатратів газів (пропану і деяких інших) успішно застосовується для знесолення води. Нагнітаючи в солону воду при підвищеному тиску відповідний газ, отримують льодоподібною кристали клатратів, а солі залишаються в розчині. Схожу на сніг масу кристалів відокремлюють від маточного розчину і промивають, Потім при деякому підвищенні температури або зменшенні тиску клатрати розкладаються, утворюючи прісну воду і вихідний газ, який знов використовується для отримання клатрати. Висока економічність і порівняно м'які умови здійснення цього процесу роблять його перспективним як промислового методу опріснення морської води.

5. Важка вода . При електролізі звичайної води, що містить поряд з молекулами АЛЕ також незначна кількість молекул DO, утворених важким ізотопом водню, розкладання піддаються здебільшого молекули АЛЕ. Тому при тривалому електролізі води залишок поступово збагачується молекулами DO. З такого залишку після багаторазового повторення електролізу в 1933 р. вперше вдалося виділити невелику кількість води

що складається майже на 100% з молекул DО і що отримала назву важкої води.

За своїми властивостями важка вода помітно відрізняється від звичайної води (таблиця). Реакції з важкою водою протікають повільніше, ніж зі звичайною. Важку воду застосовують як сповільнювач нейтронів в ядерних реакторах.

Константа

АЛЕ

DО

Молекулярна маса

18

20

Температура замерзання, ° С,

0

3,8

Температура кипіння, ° С,

100

101,4

Густина при 25 ° С, г/см Температура максимальної щільності, ° С

0,9971

4

1,1042 11,6

Бібліографія Д.Е., Техніка та виробництво. М., 1972 Хомченко Г.П. , Хімія для вступників до ВНЗ. М., 1995р. Прокоф'єв М.А., Енциклопедичний словник юного хіміка. М., 1982. Глінка Н.Л., Загальна хімія. Ленінград, 1984р.

Ахметов Н.С., Неорганічна хімія. Москва, 1992р.