Вода 2

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Введення

Вода в нашому житті - найзвичайніша і найпоширеніша речовина. Однак з наукової точки зору це сама незвичайна, найзагадковіша рідина. Мабуть, тільки рідкий гелій може змагатися з нею. Але незвичайні властивості рідкого гелію (такі, як надтекучість) виявляються при дуже низьких температурах (поблизу абсолютного нуля) і обумовлені специфічними квантовими законами. Тому рідкий гелій - це екзотичне речовина. Вода ж у нашій свідомості є прообразом всіх рідин, і тим більше дивно, коли ми називаємо її самої незвичайної. Але в чому ж полягає незвичність води? Справа в тому, що важко назвати яку-небудь її властивість, яка не була б аномальною, тобто її поведінка (залежно від зміни температури, тиску і інших чинників) істотно відрізняється від такого у переважної більшості інших рідин, у яких ця поведінка схоже і може бути пояснено з самих загальних фізичних принципів. До таких звичайних, нормальних рідин відносяться, наприклад, розплавлені метали, зріджені благородні гази (за виключенням гелію), органічні рідини (бензин, що є їх сумішшю або спирти). Вода має першорядне значення при більшості хімічних реакцій, зокрема і біохімічних. Давнє положення алхіміків - «тіла не діють, поки не розчинені» - в значній мірі справедливо. Людина і тварини можуть в своєму організмі синтезувати первинну ("ювенильную") воду, утворювати її при згоранні харчових продуктів та самих тканин. У верблюда, наприклад, жир міститься в горбу, може шляхом окислення дати 40 л води. Зв'язок між водою і життям такий великий, що навіть дозволила В. І. Вернадському "розглядати життя, як особливу колоїдну водну систему ... як особливе царство природних вод ». Вода - речовина звичне і незвичайне. Відомий радянський вчений академік І. В. Петрянов свою науково - популярну книгу про воду назвав "незвичайна речовина в світі". А доктор біологічних наук Б. Ф. Сергєєв почав свою книгу "Цікава фізіологія" з глави про воду - "Речовина, яка створила нашу планету". Учені мають рацію: немає на Землі речовини більш важливого для нас, ніж звичайна вода, і в той же час не існує іншого такого ж речовини, у властивостях якої було б стільки протиріч та аномалій, скільки в її властивостях.

1.Распространеніе води на планеті Земля.

Майже ѕ поверхні нашої планети зайнято океанами і морями. Твердою водою - снігом і льодом - покрито 20% суші. Із загальної кількості води на Землі, рівного 1 млрд. 386 млн. кубічних кілометрів, 1 млрд. 338 млн. кубічних кілометрів доводиться на частку солоних вод Світового океану, і лише 35 млн. кубічних кілометрів доводиться на частку прісних вод. Всієї кількості океанічної води вистачило б на те, щоб покрити нею земну кулю шаром більш 2,5 кілометрів. На кожного жителя Землі приблизно доводиться 0,33 кубічних кілометрів морської води і 0,008 кубічних кілометрів прісної води. Але складність в тому, що переважна частина прісної води на Землі знаходиться в такому стані, що робить її важкодоступною для людини. Майже 70% прісних вод укладене в льодовикових покривах полярних країн і в гірських льодовиках, 30% - у водоносних шарах під землею, а в руслах всіх річок містяться одночасно всього лише 0,006% прісних вод.
Молекули води виявлені в міжзоряному просторі. Вода входить до складу комет, більшості планет сонячної системи та їх супутників.

2.Ізотопний склад води.

Атоми водню і кисню, створюючі воду, або окисел водню, можуть мати різні масові числа і відрізнятися один від одного своїми фізико-хімічними властивостями, але при цьому вони мають однаковий електричний заряд атомних ядер і тому займають в періодичній системі елементів одне і те ж місце . Такі різновиди атомів одного і того ж хімічного елемента називаються ізотопами. Відомі п'ять водородов і п'ять киснів. Щоправда, за два з них (4 H, 5 H, 14 O і 15 O) радіоактивні і дуже короткоживучі. Наприклад, тривалість існування водню -4-4 * 10 -11 сек. Найбільш широко відомі наступні ізотопи водню: протий 1 H (з відносною атомною масою 1), дейтерій 2 H, або D (c відносною атомною масою 2) і тритій 3 H, або T (c відносною атомною масою 3), найбільш важкий, але слаборадиоактивний водень (його період напіврозпаду 12,3 роки), та ізотопи кисню: 16 O, 17 O і 18 O. Ці шість ізотопів можуть утворювати 18 ізотопічних різновидів води: 1 Н 2 16 Про; 1 НD 16 Про; D 2 16 Про; 1 Нt 16 Про; DT 16 Про; T 2 О 16; 1 Н 2 17 Про; 1 НD 17 Про ; D 2 17 Про; 1 Нt 17 Про; DT 17 Про; T 2 17 Про; 1 Н 2 18 Про; 1 НD 18 Про; D 2 18 Про; 1 Нt 18 Про; DT 18 Про; T 2 18 О.
На Землі на 6800 атомів протію припадає один атом дейтерію, а в межзвездочном просторі один атом дейтерію доводиться вже на 200 атомів протию.

3.Строеніе молекули води.

Молекула води складається з двох атомів водню (Н) і одного атома кисню (О). Все різноманіття властивостей води і незвичність їх прояву в кінцевому рахунку визначаються фізичною природою цих атомів і способом їх об'єднання в молекулу. В окремій молекулі води ядра водню і кисню розташовані так щодо один одного, що утворюють як би рівнобедрений трикутник з порівняно крупним ядром кисню на вершині і двома дрібними ядрами водню у підстави. В молекулі води є чотири полюси зарядів: два негативних за рахунок надлишку електронної густини у кисневих пар електронів і два позитивних - унаслідок недоліку електронної густини у ядер водню - протонів. Така асиметричність розподілу електричних зарядів води має яскраво вираженими полярними властивостями; вона є диполем з високим дипольним моментом -1,87 дебай
Завдяки цьому молекули води прагнуть нейтралізувати електричне поле. Під впливом диполів води на поверхні занурених в неї речовин міжатомні і міжмолекулярні сили слабшають в 80 разів. Настільки висока дизлектическая проникність з усіх відомих речовин властива тільки воді. Цим пояснюється її здатність бути універсальним розчинником.
Допомагаючи контактуючим з нею молекулам розкладатися на іони (наприклад, солей кислот), сама вода проявляє велику стійкість. З 1 млрд. молекул води диссоційованними при звичайній температурі виявляються лише дві, при цьому протон не зберігається у вільному стані, а найімовірніше входить в складу іона гидроксония. ( Гідроксонію (Н 3 О +) - це гідратований іон водню; існує у водних розчинах кислот)
Вода хімічно не змінюється під діям більшості тих з'єднань, які вона розчиняє, і не змінює їх. Це характеризує її інертним розчинником, що важливо для живих організмів на нашій планеті, оскільки необхідні їх тканинам живильні речовини надходять у водних розчинах в порівняно стійкому вигляді. Як розчинник вода багатократно використовується, несучи в своїй структурі пам'ять про раніше розчинених у ній речовинах. Молекули в об'ємі води зближуються протилежними зарядами, виникають міжмолекулярні водневі зв'язки між ядрами водню і неподіленими електронами кисню, насичуючи електронну недостатність водню однієї молекули води і фіксуючи його по відношенню до кисню іншої молекули. Тетраедрично спрямованість водневої хмари дозволяє утворити чотири водневі зв'язки для кожної водної молекули, яка завдяки цьому може асоціювати з чотирма сусідніми. У такій моделі кути між кожною парою ліній, що з'єднують центр (атом О) з вершинами, рівні 109,5 С.




Водневі зв'язки у кілька разів слабкіше ковалентних зв'язків, що поєднують атоми кисню і водню. Мікромолекулярная структура води з великою кількістю порожнин дозволяє їй, розриваючи водневі зв'язки, приєднувати молекули або частини молекул інших речовин, сприяючи їх розчиненню.
Порівнюючи воду - гідрид кисню з гідридами елементів, що входять в одну з киснем підгрупу періодичної системи Д.І. Менделєєва, слід було б очікувати, що вода повинна кипіти при - 70 о С, а замерзати при - 90 о С. Але в звичайних умовах вода замерзає при Таке різке відхилення від встановленої закономірності якраз і пояснюється тим, що вода є асоційованою рідиною. Ассоциірованность її позначається і на дуже високій теплоті паротворення. Так, для того, щоб випарувати 1 г води, нагрітої до 100 о С, потрібно в шестеро більше тепла, ніж для нагріву такої ж кількості води від 0 до 80 о С. Завдяки цьому вода є щонайпотужнішим енергоносієм на нашій планеті. У порівнянні з іншими речовинами, вона здатна сприймати набагато більше тепла, істотно не нагріваючись. Вода виступає як би регулятором температури, згладжуючи завдяки своїй великій теплоємності різкі температурні коливання. В інтервалі від 0 до 37 о С теплоємність її падає і лише після 37 о С починає підвищуватися. Мінімум теплоємності води відповідає температурі 36 - 39 о С - нормальної температури людського тіла. Завдяки цьому можливе життя теплокровних тварин, в тому числі і людини. 0 о С і закипає при 100 о С.

4.Фізичні властивості води, їх аномальність.

Чиста вода є безбарвною без смаку запаху прозору рідину. Щільність води при переході її з твердого стану в рідке не зменшується, як майже у всіх інших речовин, а зростає.
Як добре відомо, вода прийнята за зразок міри - еталон для всіх інших речовин. Здавалося б, за еталон для фізичних констант слідувало б вибрати таку речовину, яка поводиться самим нормальним, звичайним чином. А вийшло якраз навпаки.
І перше, саме вражаюче, властивість води полягає в тому, що вода належить до єдиної речовини на нашій планеті, яка в звичайних умовах температури і тиску може знаходитися в трьох фазах, або трьох агрегатних станах: в твердому (лід), рідкому і газоподібному ( невидимий оку пар).

4.1. Аномалія щільності.

Всім відома аномалія щільності. Вона двояка. По-перше, після танення льоду густина збільшується, проходить через максимум при 4 о С і тільки потім зменшується з зростанням температури. У звичайних рідинах густина завжди зменшується з температурою. І це зрозуміло. Чим більше температура, тим більше теплова швидкість молекул, тим сильніше вони розштовхують один одного, приводячи до більшої рихлості речовини. Зрозуміло, і в воді підвищення температури збільшує теплову швидкість молекул, але чомусь це приводить в ній до пониження густини тільки при високих температурах.
Друга аномалія густини полягає в тому, що густина води більше густина льоду (завдяки цьому лід плаває на поверхні води, вода в річках взимку не вимерзає до дна і т.д.). Звичайно ж при плавленні густина рідині опиняється менше, ніж у кристала. Це теж має простої фізичне пояснення. У кристалах молекули розташовані регулярно володіють просторовою періодичністю - ця властивість кристалів всіх речовин. Але у звичайних речовин молекули в кристалах, крім того, щільно упаковані. Після плавлення кристала регулярність у розташуванні молекул зникає, і це можливо тільки при більш пухкої упаковці молекул, тобто плавлення звичайно супроводжується зменшенням густини речовини. Такого роду зменшення густини дуже мало: наприклад, при плавленні металів вона зменшується на 2 - 4%. А густина води перевищує густину льоду відразу на 10%! Тобто стрибок густини при плавленні льоду аномальний не тільки по знаку, але і за величиною.

4.2.Переохолоджена вода.


Останнім часом багато уваги приділяється вивченню властивостей переохолодженої води, то що залишається в рідкому стані нижче за точку замерзання 0 о С. (Переохолоджувати воду можна або в тонких капілярах, або - ще краще - у вигляді емульсії: маленьких крапельок в неполярному середовищі - масло "). Що ж відбувається з аномалією густини при переохолодженні води? Вона веде себе дивно. З одного боку, густина води сильно зменшується по мірі переохолодження (тобто перша аномалія посилюється), але, з іншого боку, вона наближається до густини льоду при пониженні температури (тобто друга аномалія слабшає).

4.3.Аномалія стисливості.

Ось ще приклад аномалії води: незвичайна температурна поведінка її стисливості, тобто ступені зменшення об'єму при збільшенні тиску. Звичайно стисливість рідини росте з температурою: при високих температурах рідини більш рихлі (мають меншу густину) і їх легше стиснути. Вода знаходить таку нормальну поведінку тільки при високих температурах. При низьких же стисливість поводиться протилежним чином, в результаті чого в її температурній поведінці з'являється мінімум при 45 о С.
На цих двох прикладах ми бачимо, що незвичайні властивості води характеризуються екстремальною поведінкою, тобто появою максимумів (як в густині) або мінімумів (як в стисливості) на кривих їх залежностей від температури. Такі екстремальні залежність означає, що у воді має місце протиборство двох процесів, кожний з яких обумовлює протилежну поведінку даної властивості. Один процес - це звичайний тепловий рух, що посилюється із зростанням температури і що робить воду (як і будь-яку іншу рідину) більш раз впорядкованою, другий процес незвичайний, властивий тільки воді, за рахунок нього вода стає більш впорядкованим при низьких температурах. Різні властивості води по-різному чутливі до цих двох процесів, і тому положення екстремуму спостерігається для кожної властивості при своїй температурі.

4.4 Поверхневий натяг.

Серед незвичайних властивостей води важко обійти увагою ще одне - її виключно високе поверхневе натягнення 0,073 Н / м (при 20 o С). З усіх рідин більше високий поверхневий натяг має тільки ртуть. Воно проявляється в тому, що вода постійно прагне стягнути, скоротити свою поверхню, хоча вона завжди приймає форму ємності, в якій знаходиться в даний момент. Вода лише здається безформною, розтікаючись по будь-якій поверхні. Сила поверхневого натягнення примушує молекули її зовнішнього шару зчіплюватися, створюючи пружну зовнішню плівку. Властивості плівки також визначаються замкнутими і роз'єднаними водневими зв'язками, асоцоатами різної структури і різного ступеня впорядкованості. Завдяки плівці деякі предмети, будучи важчим за воду, не занурюються у воду (наприклад, обережно встановлена ​​навзнаки сталева голка). Багато комах (водоміри ногохвостки тощо) не тільки пересуваються по поверхні води, але злітають з неї і сідають, як на тверду опору. Більш того, живі істоти пристосувалися використовувати навіть внутрішню сторону водної поверхні. Личинки комарів повисають на ній за допомогою не змочуються щетинок, а маленькі равлики - прудовікі і котушки - повзають по ній у пошуках здобичі.
Високе поверхневе натягнення дозволяє воді приймати кулясту форму при вільному падінні або в стані невагомості: така геометрична форма має мінімальну для даного об'єму поверхню. Струмінь хімічно чистої води перетином 1 см 2 по міцності на розрив не поступається сталі того ж перетину. Водний струмінь як би цементує сила поверхневого натягу. Поведінка води в капілярах підкоряється і більш складним фізичним закономірностям. Сент-Дьердьи зазначав, що у вузьких капілярах виникають структурно впорядковані шари води поблизу твердої поверхні. Структуризація розповсюджується в глибінь рідкої фази на товщину шару порядка десятків і сотень молекул (раніше припускали, що впорядкованість обмежується лише мономолекулярним шаром води, що прилягає до поверхні). Особливості структурування води в капілярних системах дозволяють з певною підставою говорити про капілярне стан води. У природних умовах цей стан можна спостерігати у так званої парової води. У вигляді найтоншої плівки вона вистилає поверхню порожнин, пір, тріщин порід і мінералів земної кори. Розвинені міжмолекулярні контакти з поверхнею твердих тіл, особливості структурної впорядкованості, ймовірно, і є причиною того, що парова вода замерзає при більш низькій температурі, ніж звичайна - вільна - вода. Дослідження показали, що при замерзанні зв'язаної води виявляються не тільки зміни її властивостей, - іншими стають і властивості тих гірських порід, з якими вона безпосередньо стикається.

4.5.Аномалія теплоємності.

Що ж це за незвичайний процес, що відбувається у воді і робить її несхожою на інші рідини? Щоб усвідомити його фізичну сутність, розглянемо ще одну, на мій погляд, найсильнішу аномалію води - температурна поведінка її теплоємності. Величина теплоємності, як відомо, показує, скільки потрібно затратити тепла, щоб підняти температуру речовини на один градус. Для переважної кількості речовин теплоємність рідини після плавлення кристала збільшується трохи - ніяк не більше 10%. Інша справа - вода. При плавленні льоду теплоємність скаче від 9 до 18 кал / моль "град, тобто в два рази! Такого величезного стрибка теплоємності при плавленні не спостерігається ні у одного іншої речовини: тут вода абсолютний рекордсмен.Во льоду енергія, що підводиться для нагрівання, витрачається в основному на збільшення теплової швидкості молекул. Стрибок теплоємності після плавлення означає, що у воді відкриваються якісь нові процеси (і дуже енергоємні), на які витрачається, що підводиться тепло і які зумовлюють появу надлишкової теплоємності. Така надмірна теплоємність і, отже, згадані енергоємні процеси існують у всьому діапазоні температур, при яких вода знаходиться в рідкому стані. Вона зникає тільки в парі, тобто ця аномалія є властивістю саме рідкого стану води. Теплоємність води аномальна не тільки за своїм значенням. Питома теплоємність різна при різних температурах, причому характер температурної зміни питомої теплоємності своєрідний: вона знижується у міру збільшення температури в інтервалі від 0 до 37 o С, а при подальшому збільшенні температури - зростає. Мінімальне значення питомої теплоємності води виявлено при температурі 36,79 o С, адже це нормальна температура людського тіла ! Нормальна температура майже всіх теплокровних живих організмів також знаходиться поблизу цієї крапки сильному переохолодженні теплоємність сильно зростає, тобто аномальний внесок в неї ще більше збільшується. переохолоджена вода ще більш аномальна, ніж звичайна.

5.Структура і форми льоду.

Вода при охолодженні в нормальних умовах нижче 0 о С кристалізується, утворюючи лід, щільність якого менше, а обсяг майже на 10% більше обсягу вихідної води. Охолоджуючись, вода поводиться як багато інших з'єднань: помалу ущільнюється-зменшує свій питомий об'єм. Але при 4 о С (точніше, при 3,98 о С) настає кризовий стан: при подальшому зниженні температури об'єм води вже не зменшується, а збільшується. З цього моменту починається впорядкування взаємного розташування молекул, складається характерна для льоду гексагональна кристалічна структура. Кожна молекула в структурі льоду сполучена водневими зв'язками з чотирма іншими. Це призводить до того, що у фазі льоду утворюється ажурна конструкція з каналами між фіксованими молекулами води. У водних розчинах деяких органічних речовин навколо молекул домішок виникають впорядковані групи водних молекул своєрідні зони "рідкого льоду", мають кубічну структуру, яка відрізняється великою рихлістю в порівнянні з гексагональної. Поява такого льоду викликає значне розширення всієї замерзлої маси. При появі льоду руйнуються зв'язки не тільки дальнього, але і ближнього порядку. Так, при 0 о С 9 - 15% молекул Н 2 О втрачають зв'язки з з'єднаннями, в результаті збільшується рухливість частини молекул і вони занурюються в ті порожнини, якими багата ажурна структура льоду. Цим пояснюється стиснення льоду при таненні і велика в порівнянні з ним щільність води, що утворюється. При переході "лід-вода" щільність зростає приблизно на 10%, і можна вважати, що ця величина певним чином характеризує кількість молекул Н 2 О, що потрапили в порожнині.
У твердій воді (лід) атом кисню кожної молекули бере участь в утворенні двох водневих зв'язків з сусідніми молекулами води згідно схемі, в якій водневі зв'язки показані пунктиром

Утворення водневих зв'язків приводить 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 однією - з сусіднього шару. Структура льоду належить до найменш щільним структурам, в ній існують пустки, розміри якнайменше щільних структур, в ній існують пустки, розміри яких дещо перевищують розміри молекули .
Характерною особливістю структури льоду є те, що в ній молекули упаковані пухко. Якщо зобразити молекулу кулею, то при щільнішаючій упаковці куль навколо кожного з них буде 12 сусідів. В льоду їх всього чотири. Якби молекули води в льоду були щільно упаковані, то його густина складала б 2,0 г/см3, тоді як насправді вона рівна 0,92 г/см3. Здавалося б, рихлість упаковки частинок, тобто наявність у ній великих об'ємів не заповненого молекулами простору, повинна приводити до нестійкості структури. Наприклад, можна було б очікувати, що при стисненні льоду зовнішнім тиском сітка водневих зв'язків руйнуватиметься, пустки структури будуть із легкістю схлопуватися, заповнюючись молекулами, вирваними з цієї сітки. Але не тут-то було! Насправді сітка водневих зв'язків не руйнується, а перебудовується. При підвищенні тиску звичайний гексагональний лід змінює свою структуру.
Зараз відомо десять форм льоду, стійких при високому тиску. І у всіх зберігається чотири рази координована сітка водневих зв'язків, тобто кожна молекула води зберігає в них всі свої чотири водневі зв'язки.
I - звичайний лід, існуючий при тиску до 2200 атм., При подальшому збільшенні тиску переходить в II;
II - лід із зменшенням об'єму на 18%, тоне у воді, дуже нестійкий і легко переходить в III;
III - також важче за воду і може бути безпосередньо одержаний з льоду I;
IV - легше за воду, існує при невеликому тиску і температурі трохи нижче 0 ° С, нестійкий і легко переходить в лід I;
V - може існувати при тиску від 3600 до 6300 атм., Він щільніше льоду III, при підвищенні тиску з тріском миттєво перетворюється на лід VI;
VI - щільніше за лід V, при тиску близько 21 000 атм. має температуру +76 ° С; може бути одержаний безпосередньо води при температурі +60 ° С і тиску 16 500 атм.
Структура льоду, у якої всі кути між сусідніми водневими зв'язками рівні тетраєдраїческому куту, володіє мінімальною густиною (найбільшої рихлістю), можливої ​​для чотири рази координованих сіток. При деформації такої сітки густина
неминуче збільшується, так що, наприклад, для льоду III вона складає 1,15 г/см3, тобто на 25% більше, ніж в льоду.
Отже, при зовнішніх діях (підвищенні тиску) сітка водневих зв'язків в льоду не руйнується, а перебудовується, зберігаючи свою четверну координацію. Більш вигідним виявляється не розірвати деякі водневі зв'язки, а зберегти їх все, лише деформуючи сітку, дещо змінюючи кути між зв'язками. У цій дивній структурній стійкості полягає найважливіша властивість сіток водневих зв'язків між молекулами води.

6.Структура і перебудова структури води.

Тепер легко уявити собі, що відбувається при плавленні льоду. Сітка водневих зв'язків і тут не повинна руйнуватися, але кристалічний порядок повинен зникнути. Це означає, що кожна молекула води і в рідкому стані повинна зберегти свої чотири водневі зв'язки, але кути між ними відрізнятимуться від qТ, що і призводить до підвищення її густини по порівнянню з льодом Ih. Чим же відрізняється структура сітки водневих зв'язків в рідкій воді від структур сіток в формах льоду, стабільних при високих тиску? Відсутністю просторової періодичності. На відміну від льоду в водній сітці неможливо виділити ділянки в різних її місцях, які були б тотожні по структурі. Сітка в воді випадкова. В ній кути між зв'язками відхиляються від qТ не по якомусь певному закону, як в кристалах, а випадково. У кристалі навкруги кожної молекули сусідні частинки розташовані однаково, в рідині ж оточення кожної молекули влаштовано особливим (але випадковим) чином. З цієї причини структуру випадкової сітки неможливо рентгеноструктурньїм аналізом, який розкриває закономірності тільки одноманітно оточених частинок.
Значить, молекулярну структуру води, тобто конкретне положення всіх її молекул, неможливо визначити експериментально. Тут потрібно використовувати інші методи дослідження і перш за все моделювання. За допомогою комп'ютера можна моделювати рухи не дуже великого ансамблю частинок (близько тисячі) і одержувати інформацію про положення кожної молекули, якщо зробити певні (модельні) припущення про закони їх взаємодії. Цією захоплюючою задачею займаються зараз вчені у всьому світі. Усі дослідники згодні в тому, що основою структури є сітка водневих зв'язків, що охоплює всі молекули води; розбіжності стосуються в основному пристрої цієї сітки.
Отже, найбільш реалістичною картиною структури води є випадкова чотири рази координована сітка водневих зв'язків. Така загальна ідея цілком достатня для нашого обговорення. Як пояснити з цієї точки зору аномалії води? Всякі зміни сітки при зовнішніх діях можуть бути: 1) без зміни структури (наприклад, зміни довжин зв'язків), 2) зі зміною структури сітки (без зміни довжин зв'язків). Подовження всіх зв'язків при збільшенні температури відноситься до змін першого роду і є загальним для всіх речовин, включаючи воду. Але у воді істотну роль грає і другий фактор. При низьких температурах структура більш впорядкована, тобто кути між водневими зв'язками в сітці в меншій ступені відхиляються від тетраедричного кута qТ, тому вона більш журна (більш рихла, має меншу густину) і її важче деформувати. При зміні температури сітка перебудовується, змінює свою структуру. Це потрібно розуміти не тільки як зміна кутів між зв'язками, але і як зміна характеру зв'язності вузлів сітки (молекул): наприклад, зміна кількості кілець різного типу, аналогічне тому, що відбувається при переході від льоду Ih до льоду III. Але якщо при низьких температурах, в кристалічній фазі структура кожної з десяти форм льоду залишалася незмінної в кінцевому інтервалі температур і перебудова сітки відбувалася при переході від однієї дискретної форми до іншої, то в рідині структура сітки водневих зв'язків перебудовується при зміні температури безперервно.

7.Діаграмма стану води.

Діаграма стану (або фазова діаграма) представляє собою графічне зображення залежності між величинами, що характеризують стан системи, і фазовими перетвореннями у системі (перехід із твердого стану в рідкий, з рідкого в газоподібному і т. д.). Діаграми стану широко застосовуються в хімії. Для однокомпонентних систем зазвичай 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 діаграма стану води. Будь-якій точці на діаграмі відповідають певні значення температури і тиску.
Діаграма показує ті стани 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, що відповідають льоду, рідини і пару.

Розглянемо кожну з кривих більш докладно. Почнемо з кривою ОА, яка відділяє область пара від області рідкого стану. Уявімо собі циліндр, з якого видалено повітря, після чого в нього введено деяку кількість чистої, вільної від розчинених речовин, у тому числі від газів, води; циліндр забезпечений поршнем, який закріплений в деякому положенні. Через деякий час частина води випарується, і над її поверхнею буде знаходитися насичений пар. Можна виміряти його тиск і переконатися в тому, що воно не змінюється з плином часу і не залежить від положення поршня. Якщо збільшити температуру всієї системи і знову виміряти тиск насиченої пари, то виявиться, що воно зросло. Повторюючи такі вимірювання при різних температурах, знайдемо залежність тиску насиченої водяної пари від температури. Крива ОА представляє 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 кривою 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 деяку кількість води та тиск знову досягне рівноважного значення. Тільки тоді, коли вся вода випарується, можна здійснити тиск, менший, ніж рівноважний. Звідси випливає, що крапках, лежачих на діаграмі стану нижче або правіше 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, лежачим вище або лівіше кривої ОА, відповідає область рідкого стану.
До яких пір простягаються вліво області рідкого і пароподібного стану? Намети по одній точці в обох областях та 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, яка відділяє 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 перебувають у рівновазі.
Рухаючись по горизонталі вліво в області пара (в нижню частини 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 рівновазі знаходяться лід і водяну пару.
Всі три криві перетинаються в точці О. Координати цієї точки-це єдина пара значень температури і тиску,. при яких рівновазі можуть знаходитися всі три фази: лід, рідка вода і пар. Вона носить назву потрійної точки.
Крива плавлення досліджена до дуже високих тисків, У цій області виявлено декілька модифікацій льоду (на діаграмі не показані).
Праворуч 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 пароподібним станом 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 перебувати 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 з ростом 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 - відтинку DE і т. п.
Діаграми стану вивчені для ряду речовин, що мають наукове або практичне значення. У принципі вони подібні розглянутим 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.

8.Об'ясненіе аномалій.

Тепер ми зможемо пояснити походження численних аномалій води. Розглянемо аномалії щільності. Перша - різке збільшення густини при плавленні льоду - пов'язана з тим, що сітка водневих зв'язків льоду сильно спотворюється після плавлення: у водній сітці кути між зв'язками відхиляються від оптимальних тетраедричних, в результаті чого зменшується обсяг порожнього простору між молекулами води. Друга визначається теплової перебудовою структури водної сітки. Чим нижче температура, тим ажурні стає сітка, обумовлюючи зменшення щільності при зниженні температури нижче 4 С. При високих температурах перебудова структури сітки вже мало впливає на щільність, оскільки сітка тут сильно відрізняється від ажурною тетраедричних конфігурації. Тоді стає видним загальне для всіх речовин (нормальне) явище збільшення відстаней між частинками при нагріванні. Зауважимо, що наближення густини води при її переохолодженні до густини льоду не означає, що структура води стає все більше схожою на структуру льоду. Хоча кути між водневими зв'язками при цьому наближаються до тетраедричних, але структура ажурної випадкової водної сітки при низьких температурах не має нічого спільного з регулярною структурою льоду Ih.
Аналогічним чином можна пояснити аномальну поведінку та інших властивостей води при низьких температурах, наприклад, стисливості. Загальна причина такого аномального поведінки полягає в тому, що при низьких температурах сітка водневих зв'язків води ще не дуже спотворена в порівнянні з тетраедричних конфігурацією, і при зміні температури має першорядне значення перебудова структури цієї сітки, яка і визначає аномальний внесок в поведінку спостережуваного нами властивості води . При високих температурах, коли водна сітка сильно деформована, її перебудова чинить менший вплив на спостережувану властивість і вода поводиться, як і всі звичайні рідини.
Щоб деформувати сітку при зміні температури, перебудувати її структуру, потрібно затратити енергію, це і пояснює аномальний внесок в теплоємність. Зміна структури сітки можна назвати зміною її конфігурації, тому аномальний внесок в теплоємність, який описує витрати енергії на зміну структури сітки (при збільшенні температури на один градус), називають конфігураційної теплоємністю. Аномальний внесок в теплоємність не зникає аж до 100 ° С (при звичайному тиску) і його величина мало змінюється з температурою. Це означає, що сітка водневих зв'язків у воді існує на всьому інтервалі існування рідини - від точки плавлення до точки кипіння: із зростанням температури водневі зв'язки не розриваються, а поступово змінюють свою конфігурацію.
Таке різке відхилення від встановленої закономірності якраз і пояснюється тим, що вода є асоційованою рідиною. Ассоциірованность її позначається і на дуже високій теплоті паротворення. Так, для того, щоб випарувати 1 г води, нагрітої до 100 о С, потрібно в шість разів більше тепла, ніж для нагріву такої ж кількості води від 0 до 80 о С. Завдяки цьому вода є щонайпотужнішим енергоносієм на нашій планеті.

Висновок.

«Що таке вода?» - Питання далеко не простий. Все, про що було розказано про неї в цій роботі не є вичерпним відповіддю на це питання, а в багатьох випадках дати ясну відповідь на нього поки що й зовсім не можна. Наприклад, поки залишається відкритим питання про структуру води, причини численних аномалій води і, ймовірно, ще про багато властивостях і різновидах води, про які ми навіть не підозрюємо. Однозначно можна сказати лише те, що вода - унікальна речовина на землі.
Нагадаємо слова нашого геніального співвітчизника акад. В. І. Вернадського про те, про "треба чекати особливий виключний характер фізико-хімічних властивостей води серед всіх інших сполук, що позначається і на її положенні в світобудові і на структурі світобудови".

9.Література

1. Ахметов Н.С., Неорганічна хімія. Москва, 1992р.
2. Глінка Н.Л., Загальна хімія. Ленінград, 1984р.
3. Дерпгольц В. Ф. Вода у всесвіті. - Л.: "Надра", 1971.
4. Хрестів Г. А. Від кристала до розчину. - Л.: Хімія, 1977.
5. Хомченко Г.П. Хімія для вступників до ВНЗ. - М., 1995р.
6. Хімічна енциклопедія. Том 1. Редактор І. Л. Кнунянц. Москва, 1988 рік.
7. В. А. Кріцман, В. В. Станції. Енциклопедичний словник юного хіміка. М., "Педагогіка", 1982 рік.
8. О. А. Спенглер. Слово про воду. Л., "Гидрометеоиздат", 1980 рік.
9. І. В. Петрянов. Сама "незвичайна речовина в світі. М.,
"Педагогіка", 1975 рік.
Зміст
Введення. 1
1.Распространеніе води на планеті Земля. 2
2.Ізотопний склад води. 2
3.Строеніе молекули води. 3
4.Фізичні властивості води, їх аномальність. 5
4.1. Аномалія щільності. 5
4.2.Переохолоджена вода. 6
4.3.Аномалія стисливості. 6
4.4 Поверхневий натяг. 7
4.5.Аномалія теплоємності. 8
5.Структура і форми льоду. 9
6.Структура і перебудова структури води. 12
7.Діаграмма стану води. 13
8.Об'ясненіе аномалій. 16
Висновок. 17
9.Література. 18
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Курсова
90.5кб. | скачати


Схожі роботи:
Вода як інформаційна основа живих систем звичайна і незвичайна вода
Вода
Вода на Марсі
Вода на Марсі
Срібна вода
Вода дарує життя
Кисла і лужна вода
Вода природних джерел
Обережно Жива вода
© Усі права захищені
написати до нас