Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

на тему:

“Вода - найдавніша речовина на Землі”

Зміст

1. Вода в природі

2. Фізичні властивості води

3. Діаграма стану води

4. Хімічні властивості води

5. Важка вода

Бібліографія

1. Вода в природі

Вода -- досить розповсюджене на Землі речовина. Майже 3/4 поверхні земної кулі покриті водою, що утворить океани, моря, ріки й озера. Багато води знаходиться в газоподібному стані у виді пар в атмосфері; у виді величезних мас снігу і льоду лежить вона цілий рік на вершинах високих гір і в полярних країнах. У надрах землі також знаходиться вода, що просочує ґрунт і гірські породи.

Природна вода не буває зовсім чистої. Найбільш чистої є дощова вода, але і вона містить незначні кількості різних домішок, що захоплює з повітря.

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

Вода, що містить значну кількість солей кальцію і магнію, називається твердої на відміну від м'якої води, наприклад дощовий. Тверда вода дає мало піни з милом, а на стінках казанів утворить шумовиння.

Щоб звільнити природну воду від зважених у ній часток, неї фільтрують крізь шар пористої 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 знезаражування питної води її хлорують; для повної стерилізації води потрібно не більш 0,7 м хлору на 1 т води.

Фільтруванням 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 людину. Відповідно до сучасних представлень, саме походження життя зв'язується з морем. В всякому організмі вода являє собою середовище, у якій протікають хімічні процеси, що забезпечують життєдіяльність організму; крім того, вона сама бере участь у цілому ряді біохімічних реакцій.

2. Фізичні властивості води

вода температура організм електроліз

Чиста вода являє собою безбарвну прозору рідину. Щільність води при переході її з твердого стану в рідке не зменшується, як майже у всіх інших речовин, а зростає. При нагріванні води від 0 до 4°С щільність 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 у тверде щільність води змінювалася так само, як це відбувається в гнітючої більшості речовин, то при наближенні зими поверхневі шари природних вод прохолоджувалися. би до 0°С и опускалися на дно, звільняючи місце більш теплим шарам, і так продовжувалося б доти, поки вся маса водойми не придбала би температуру 0°С. Далі вода починала б замерзати, що утворяться крижини занурювалися б на дно і водойму промерзав би на всю його глибину. При цьому багато форм життя у воді були б неможливі. Але тому що найбільшої щільність вода досягає при 4 °С, те переміщення її шарів, викликуване охолодженням, закінчується при досягненні цієї температури. При подальшому зниженні температури охолоджений шар, що володіє меншою щільністю, залишається на поверхні, замерзає і тим самим захищає лежачі 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/(м ДО)], Тому .у нічний час, а також при переході від літа до зими вода остигає повільно, а вдень або при переході від зими до лету так само повільно нагрівається, будучи, таким чином, регулятором температури на земній кулі.

У зв'язку з тим, що при плавленні льоду обсяг, займаний водою, зменшується, тиск знижує температуру плавлення льоду. Ця випливає з принципу Ле Шателье. Дійсно, нехай. лід і рідка вода знаходяться в рівновазі при ПРО°С. При збільшенні тиску рівновага, відповідно до принципу Ле Шателье, зміститься убік утворення тієї фази, що при тій же температурі займає менший обсяг. Цією фазою є в даному випадку рідина. Таким чином, зростання тиску при ПРО°З викликає перетворення льоду в рідину, а це й означає, що температура плавлення льоду знижується.

Молекула води має кутову будівлю; вхідні в її склад ядра утворять рівнобедрений трикутник, у підставі якого знаходяться два протони, а у вершині -- ядро атома кисню, Межъядерные 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 утворять ковалентні зв'язки О-Н, а інші чотири електрони являють собою дві неподілених електронних пари.

Атом кисню в молекулі води знаходиться в стані -гібридизації. Тому валентний кут НОН (104,3)° близький до тетраэдрическому (109,5°). Електрони, що утворять зв'язки О-Н, зміщені до більш електронегативного атома кисню. У результаті атоми водню здобувають ефективні позитивні заряди, так що на цих атомах створюються два позитивних полюси. Центри негативних зарядів неподілених електронних пар атома кисню, що знаходяться на гібридних - орбиталях, зміщені щодо ядра атома і створюють два негативних полюси

Молекулярна маса пароподібної води дорівнює 18 і відповідає її найпростішій формулі. Однак молекулярна маса рідкої води, обумовлена шляхом вивчення її розчинів в інших розчинниках виявляється більш, високої. Це свідчить про те, що в рідкій воді відбувається асоціація молекул, тобто з'єднання їхній у більш складні агрегати. Такий висновок підтверджується й 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 із сусідніми молекулами води відповідно до схеми,

у якій водневі зв'язки показані пунктиром. Схема об'ємної структури льоду зображена на малюнку. Утворення водневих зв'язків приводить до такого розташування молекул води, при якому вони стикаються один з одним своїми різнойменними полюсами. Молекули утворять шари, причому кожна з них зв'язана з трьома молекулами, що належать до того ж шарую, і з однієї -- із сусіднього шару. Структура льоду належить до найменш щільних структур, у ній існують порожнечі, розміри найменш щільним структурам, у ній існують порожнечі, розміри яких трохи перевищують розміри молекули .

При плавленні льоду його структура руйнується. Але й у рідкій воді зберігаються водневі зв'язки між молекулами: утворяться ассоциаты -- як би уламки структури льоду, -- состоящих з більшого або меншого числа молекул води. Однак у відрізнить від льоду кожен ассоциат існує дуже короткий час: постійно відбувається руйнування одних і утворення інших агрегатів. У порожнечах таких “крижаних” агрегатів можуть розміщатися одиночні молекули води; при цьому упакування молекул води стає більш щільною. Саме тому при плавленні льоду обсяг, займаний водою, зменшується, а її щільність зростає.

В міру нагрівання води уламків структури льоду в ній стає усе менше, що приводить 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 щільність.

При нагріванні води частина теплоти затрачається на розрив водневих зв'язків (енергія розриву водневого зв'язку у воді складає приблизно 25 кдж/моль). Цим порозумівається висока теплоємність води.

Водневі зв'язки між молекулами води цілком 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 із твердого стану в рідке, з рідкого в газоподібній 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 приведена в схематичній формі (без строгого дотримання масштабу) діаграма стану води. Любою крапці на діаграмі відповідають визначені значення температури і тиску.

Діаграма показує ті стани води, що термодинамически стійкі при визначених значеннях температури і тиску. Вона складається з трьох кривих, що розмежовують усі можливі температури і тиски на три області, що відповідають льодові, рідині і парі.

Розглянемо кожну з кривих більш докладно. Почнемо з кривій ОА, що відокремлює область пари від області рідкого стану. Уявимо собі циліндр, з якого вилучене повітря, після чого в нього введене деяка кількість чистої, вільної від розчинених речовин, у тому числі від газів, води; циліндр постачений поршнем, що закріплений у деякому положенні. Через якийсь час частина води випарується і над її поверхнею буде знаходитися насичена пара. Можна вимірити його тиск і переконатися в тім, що воно не змінюється з часом і не залежить від положення поршня. Якщо збільшити температуру всієї системи і знову вимірити 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 графіка цієї залежності: крапки кривій показують ті пари значень температури і тиски, при яких рідка вода і водяний пара знаходяться в рівновазі один з одним -- співіснують. Крива ОА називається кривій рівноваги рідин-пар або кривій кипіння. У таблиці приведені значення тиску насиченої водяної пари при декількох температурах.

Таблиця

Спробуємо здійснити в циліндрі тиск, відмінне від рівноважного, наприклад, менше, чим рівноважне. Для цього звільнимо поршень і піднімемо його. У перший момент тиск у циліндрі, дійсно, упаде, але незабаром рівновага відновиться: випарується додатково деяка кількість води і тиск знову досягне рівноважного значення. Тільки тоді, коли уся вода випарується, можна здійснити тиск, менше, чим рівноважне. Звідси випливає, що крапкам, що лежать на діаграмі стану нижче або правее кривій ОА, відповідає область пари. Якщо намагатися створити тиск, що перевищує рівноважне, то цього можна досягти, лише опустивши поршень до поверхні води. Інакше кажучи, крапкам діаграми, що лежить вище або левее кривій ОА, відповідає область рідкого стану.

Доки простираються вліво області рідкого і пароподібного стану? Намітимо по одній крапці в обох областях і будемо рухатися від них горизонтально вліво. Цьому рухові крапок на діаграмі відповідає охолодження рідини або пари при постійному тиску. Відомо, що якщо прохолоджувати воду при нормальному атмосферному тиску, то при досягненні 0°С вода почне замерзати. Проводячи аналогічні досвіди при інших тисках, прийдемо до кривій 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 тиски, при яких лід і рідка вода знаходяться в рівновазі.

Рухаючи по горизонталі вліво в області пари (у нижнею частини діаграми), аналогічним образом прийдемо до кривій 0В. Ц-крива рівноваги тверде стан-пара, або крива сублімації. Їй відповідають ті пари значень температури до тиску, при яких у рівновазі знаходяться лід і водяний пара.

Усі три криві перетинаються в точці О. Координати цієї крапк-це єдина пара значень температури і тиски,. при яких у рівновазі можуть знаходитися всі три фази: лід, рідка вода і пара. Вона зветься потрійної крапки.

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

Праворуч крива кипіння закінчується в критичній крапці. При температурі, що відповідає цій крапці,-критичній температурі-- величини, що характеризують фізичні властивості рідини і пара, стають однаковими, так що розходження між рідким і пароподібним станом зникає.

Існування критичної температури установив у 1860 р. Д. И. Менделєєв, вивчаючи властивості рідин. Він показав, що при температурах, що лежать вище критичної, речовина не може знаходитися в рідкому стані. У 1869 р. Эндрьюс, 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.

Однієї з особливостей води, що відрізняють її від інших речовин, є зниження температури плавлення льоду з ростом тиску. Ця обставина відбиває на діаграмі. Крива плавлення ОС на діаграмі стану води йде нагору вліво, тоді як майже для всіх інших речовин вона йде нагору вправо.

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

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

4. Хімічні властивості води

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

2Н ПРО 2Н +ПРО

Процес розкладання речовини в результаті його нагрівання називається термічною дисоціацією. Термічна дисоціація води протікає з поглинанням теплоти. Тому, відповідно до принципу Ле Шателье, чим вище температура, тим у більшому ступені розкладається вода. Однак навіть при 2000 °С ступінь термічної дисоціації води не перевищує 2%, тобто рівновага між газоподібною водою і продуктами її дисоціації -- воднем і киснем -- усе ще залишається зрушеним убік води. При охолодженні ж нижче 1000 °С рівновага практично цілком зрушується в цьому напрямку.

Вода -- досить реакционноспособное речовина. Оксиди багатьох металів і неметалів з'єднуються з водою, утворити підстави і кислоти; деякої солі утворять з водою кристаллогидраты; найбільш активні метали взаємодіють з водою з виділенням водню.

Вода має також каталітичну здатність. Під час відсутності слідів вологи практично не протікають деякі звичайні реакції; наприклад, хлор не взаємодіє з металами, фтороводород не роз'їдає скло, натрій не окисляється в атмосфери повітря.

Вода здатна з'єднуватися з поруч речовин, що знаходяться при звичайних умовах у газоподібному стані, утворити при цьому так: називані гідрати газів. Прикладами можуть служити з'єднання Хе 6Н ПРО, CI 8H O, З Н 6Н ПРО, З Н 17Н ПРО, що випадають у виді кристалів при температурах від 0 до 24 °С (звичайно при підвищеному тиску відповідного газу). Подібні з'єднання виникають у результаті заповнення молекулами газу (“гостя”) межмолекулярных порожнин, що маються в структурі води (“хазяїна”); вони називаються з'єднаннями включення або клатратами.

У клатратных з'єднаннях між молекулами “гостя” і “хазяїна” утворяться лише слабкі межмолекулярные зв'язку; включена молекула не може залишити свого місця в порожнині кристала переважно через просторові утруднення Тому клатраты -- хитливі з'єднання, що можуть існувати лише при порівняно низьких температурах.

Клатраты використовують для поділу вуглеводнів і шляхетних газів. Останнім часом утворення і руйнування клатратов газів (пропану і деяких інших) успішно застосовується для знесолення води. Нагнітаючи в солону воду при підвищеному тиску відповідний газ, одержують льдоподобные кристали клатратов, а солі залишаються в розчині. Схожу на сніг масу кристалів відокремлюють від маткового розчину і промивають, Потім при деякому підвищенні температури або зменшенні тиску клатраты розкладаються, утворити прісну воду і вихідний газ, що знову використовується для одержання клатрата. Висока економічність і порівняно м'які умови здійснення цього процесу роблять його перспективним як промисловий метод опріснення морської води.

5. Важка вода

При електролізі звичайної води, що містить поряд з молекулами Н Об також незначну кількість молекул D O, утворених важким ізотопом водню, розкладанню піддаються переважно молекули Н О. Тому при тривалому електролізі води залишок поступово збагачується молекулами D O. З такого залишку після багаторазового повторення електролізу в 1933 р. вперше удалося виділити невелику кількість води, яка складалась майже на 100% з молекул D О и важкої води, що одержала назва.

По своїх властивостях важка вода помітно відрізняється від звичайної води (таблиця). Реакції з важкою водою протікають повільніше, ніж зі звичайної. Важку воду застосовують як сповільнювач нейтронів у ядерних реакторах.

Бібліографія

Д.Э., Техніка і виробництво. М., 1972м

Хомченко Г.П. , Хімія для надходять у Вузы. М., 1995р.

Прокоф'єв М.А., Енциклопедичний словник юного хіміка. М., 1982р.

Глинка Н.Л., Загальна хімія. Ленінград, 1984р.

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

Размещено на Allbest.ru