Вода і її властивості
"Вода і її властивості"
учениця 11 "Б" класу
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 якого було б стільки протиріч та аномалій, скільки в її властивостях.
Майже ¾ 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 тільки 35 млн. Кубічних кілометрів доводиться на частку прісних вод. Усієї кількості океанічної води вистачило б на те, щоб покрити нею земну кулю шаром більше 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 і їх супутників.
1 Н2 17 Про - 0,04%, 1 H 2 Н 16 О - 0,03%. Решта п'ять ізотопних різновидів присутні у воді в мізерно малих кількостях.
Будова молекули. Як відомо, властивості хімічних сполук залежать від того, з яких елементів складаються їх молекули, і змінюються закономірно. Воду можна розглядати як оксид водню або як гідрид кисню. Атоми водню і кисню в молекулі води розташовані в кутах рівнобедреного трикутника з довжиною зв'язку О - Н 0,957 нм; валентний кут Н - О - Н 104 o 27 '.
Але оскільки обидва водневих атома розташовані по одну сторону від кисневого, електричні заряди в ній розосереджуються. Молекула води полярна, що є причиною особливого взаємодії між різними її молекулами. Атоми водню в молекулі води, маючи частковий позитивний заряд, взаємодіють з електронами атомів кисню сусідніх молекул.Такая хімічний зв'язок називається в о д о р о д н о м. Вона об'єднує молекули води в своєрідні полімери просторової будови. У водяній парі присутні близько 1% димарів води. Відстань між атомами кисню - 0,3 нм. У рідкої і твердої фазах кожна молекула води утворює чотири водневі зв'язки: дві - як донор протонів і дві - як акцептор протонів. Середня довжина цих зв'язків - 0, 28 нм, кут Н - О - Н прагне до 180 0 .Четире водневі зв'язку молекули води спрямовані приблизно до вершин правильного тетраедра.
Структура модифікацій льоду є тривимірну сітку. У модифікаціях, що існують при низькому тиску, так званий лід - I. зв'язку Н - О - Н майже прямолінійні і спрямовані до вершин правильного тетраедра. Але при високому тиску звичайний лід можна перетворити в так звані лід - II, лід - III так далі - більш важкі і щільні кристалічні форми цієї речовини. Найтвердіші, щільні і тугоплавкі поки - лід - VII і лід - VIII. Лід - VII отриманий під тиском 3 млрд Па, він плавиться при температурі + 190 0 C. У модифікаціях - лід - II - лід - VI - з в'язі Н - О - Н викривлені і кути між ними відрізняються від тетраедричного, що обумовлює збільшення щільності в порівнянні з щільністю звичайного льоду. Тільки в модифікаціях лід - VII і лід - VIII досягається найвища щільність упаковки: в їх структурі дві правильні сітки, збудовані з тетраедрів, вставлені одна в іншу, при цьому зберігається система прямолінійних водневих зв'язків.
Тривимірна сітка водневих зв'язків, побудована з тетраедрів, існує і в рідкій воді в усьому інтервалі від температури плавлення до критичної температури, що дорівнює + 3,98 0 С. Збільшення щільності при плавленні, як і в випадку щільних модифікацій льоду, пояснюється викривленням водневих зв'язків.
Викривлення водневих зв'язків збільшується зі зростанням температури і тиску, що веде до зростання щільності. З іншого боку при нагріванні середня довжина водневих зв'язків стає більше, в результаті чого щільність уменьщается. Спільна дія двох фактів пояснює наявність максимуму щільності води при температурі + 3, 98 0 С.
Фізичні властивості води аномальні, що пояснюється наведеними вище даними про взаємодію між молекулами води.
Вода - єдина речовина на Землі, яке існує в природі у всіх трьох агрегатних станах - рідкому, твердому і газоподібному.
Плавлення льоду при атмосферному тиску супроводжується зменшенням обсягу на 9%. Щільність рідкої води при температурі, близькій до нуля, більше, ніж у льоду. При 0 0 С 1 грам льоду займає обсяг 1,0905 кубічних сантиметрів, а 1 грам рідкої води займає обсяг 1,0001 кубічних сантиметрів. І лід плаває, тому й не промерзають зазвичай наскрізь водойми, а лише покриваються крижаним покривом.
Температурний коефіцієнт об'ємного розширення льоду і рідкої води від'ємний при температурах відповідно нижче - 210 0 С і + 3,98 0 С.
Теплоємність при плавленні зростає майже вдвічі і в інтервалі від 0 0 С до 100 0 С майже не залежить від температури.
Вода має незакономерно високі температури плавлення і кипіння в порівнянні з іншими водневими сполуками елементів головної підгрупи VI групи таблиці Менделєєва.
теллуроводород селеноводорода сірководень вода
tплавленія- 51 0 С - 64 0 С - 82 0 С 0 0 С
t кипіння - 4 0 С - 42 0 С - 61 0 С 100 0 С
Але не тільки тому ми вважаємо воду життєво важливою речовиною. Справа в тому, що тіло людини майже на 63 - 68% складається з води. Майже всі біохімічні реакції в кожній живій клітині - це реакції у водних розчинах. З водою видаляються з нашого тіла отруйні шлаки; вода, яка виділяється потовими залозами і випаровується з поверхні шкіри, регулює температуру нашого тіла. Представники тваринного і рослинного світу містять таку ж велику кількість води в своїх організмах. Найменше води, лише 5 - 7% ваги, містять деякі мохи та лишайники. Більшість мешканців земної кулі і рослини складаються більш ніж на половину з води. Наприклад, ссавці містять 60 - 68%; риби - 70%; водорості - 90 - 98% води.
У розчинах ж (переважно водних) протікає більшість технологічних процесів на підприємствах хімічної промисловості, у виробництві лікарських препаратів і харчових продуктів.
Не випадково гідрометалургія - витяг металів з руд і концентратів з допомогою розчинів різних реагентів - стала важливою галуззю промисловості.
Вода - це важливе джерело енергоресурсів. Як відомо, все гідроелектричним станції світу, від маленьких до найбільших, перетворюють механічну енергію водного потоку в електричну виключно за допомогою водяних турбін з з'єднаними з ними електрогенераторами. На атомних електростанціях атомний реактор нагріває воду, водяну пару обертає турбіну з генератором і виробляє електричний струм.
Вода, незважаючи на всі її аномольние властивості, є еталоном для вимірювання темпкратури, маси (ваги), кількості тепла, висоти місцевості.
Шведський фізик Андерс Цельсій, член Стокгольмської академії наук, створив в 1742 році стоградусную шкалу термометра, якої в даний час користуються майже повсюдно. Точка кипіння води позначена 100. а точка танення льоду 0.
При розробці метричної системи, встановленої за декретом французького революційного уряду в 1793 році замість різних старовинних заходів, вода була використана для створення основного заходу маси (ваги) - кілограма і грама: 1 грам, як відомо, це вага 1 кубічного сантиметра (мілілітрів) чистої води при температурі її найбільшої щільності - 4 0 С. Отже, 1 кілограм - це вага 1 літра (1000 кубічних сантиметрів) або 1 кубічного дециметра води: а 1 тонна (1000 кілограмів) - це вага 1 кубічного метра води.
Вода використовується і для вимірювання кількості тепла. Одна калорія - це кількість тепла, необхідне для нагрівання 1 грама води з 14, 5 до 15,5 0 С.
Всі висоти і глибини на земній кулі відраховуються від рівня моря.
У 1932 році американці Г. Юри і Е.Осборн виявили, що навіть в самій чистій воді, яку тільки можна отримати в лабораторних умовах, міститься незначна кількість якоїсь речовини, що виражається, по-видимому, тієї ж хімічною формулою Н2 О, але володіє молекулярною вагою 20 замість ваги 18, властивого звичайній воді. Юрі назвав цю речовину важкою водою. Велика вага важкої води пояснюється тим, що її молекули складаються з атомів водню з подвоєним атомним вагою в порівнянні з атомами звичайного водню. Подвійний вага цих атомів в свою чергу обумовлюється тим, що їх ядра містять, крім єдиного протона, що становить ядро звичайного водню, ще один нейтрон. Важкий ізотоп водню отримав назву дейтерію
(D або 2 Н), а звичайний водень стали називати протієм. Важка вода, окис дейтерію, виражається формулою D2 О.
Незабаром був відкритий третій, надважкий ізотоп водню з одним протоном і двома нейтронами в ядрі, який був названий тритієм (Т або 3 Н). У поєднанні з киснем тритій утворює надважких воду Т2 Про з молекулярною вагою 22.
У природних водах міститься в середньому близько 0,016% важкої води. Важка вода зовні схожа на звичайну воду, але за багатьма фізичними властивостями відрізняється від неї. Точка кипіння важкої води 101,4 0 С, точка замерзання + 3,8 0 С. Важка вода на 11% важче звичайної. Питома вага важкої води при температурі 25 0 С дорівнює 1,1. Вона гірше (на 5 - 15%) розчиняє різні солі. У важкій воді швидкість протікання деяких хімічних реакцій інша, ніж у звичайній воді.
І в фізіологічному відношенні важка вода впливає на живу речовину інакше: на відміну від звичайної води, яка має цілющою силою, важка вода абсолютно інертна. Насіння рослин, якщо їх поливати важкою водою, не проростають; пуголовки, мікроби, черви, риби у важкій воді не можуть існувати; якщо тварин напувати однією важкою водою, вони загинуть від спраги. Важка вода - це мертва вода.
Є ще один вид води, що відрізняється за фізичними властивостями від звичайної води, - це омагніченная вода. Таку воду отримують за допомогою магнітів, вмонтованих в трубопровід, по якому тече вода. Омагніченная вода змінює свої фізико - хімічні властивості: швидкість хімічних реакцій в ній збільшується, прискорюється кристалізація розчинених речовин, збільшується злипання твердих частинок домішок і випадання їх в осад з утворенням великих пластівців (коагуляція). Омагнічування успішно застосовується на водопровідних станціях при великій каламутності води, яка забирається. Вона дозволяє також швидко осаджувати забруднені промислові стоки.
З хімічних властивостей води особливо важливі здатність її молекул диссоциировать (розпадатися) на іони і здатність води розчиняти речовини різної хімічної природи.
Роль води як головного і універсального розчинника визначається перш за все полярністю її молекул і, як наслідок, її надзвичайно високою діелектричної проникністю. Різнойменні електричні заряди, і зокрема іони, притягуються один до одного в воді в 80 разів слабкіше, ніж притягувалися б в повітрі. Сили взаємного тяжіння між молекулами або атомами зануреного в воду тіла також слабше, ніж в повітрі. Тепловому руху в цьому випадку легше розбити молекули. Тому й відбувається розчинення, в тому числі багатьох важкорозчинних речовин: крапля камінь точить.
Лише незначна частка молекул (одна з 500 000 000) піддається електролітичноїдисоціації за схемою:
Однак, наведене рівняння умовне: не може існувати у водному середовищі позбавлений електронної оболонки протон Н +. Він відразу з'єднується з молекулою води, утворюючи іон гідроксонію Н3 Про +. який в свою чергу об'єднується з однією, двома або трьома молекулами води в
Електролітична дисоціація води - причина гідролізу солей слабких кислот і (або) підстав. Ступінь електролітичноїдисоціації помітно зростає при підвищенні температури.
Освіта води з елементів по реакції: