Вода в нашей жизни

Размещено на http://www.allbest.ru/

План работы:

Введение

Вода на планете Земля

Водная среда

Строение молекулы воды и изотопный состав

Диаграмма состояния воды

Физические свойства воды

Аномалия плотности

Переохлажденная вода

Аномалия сжимаемости

Поверхностное натяжение

Аномалия теплоемкости

Химические свойства воды

Удивительные свойства воды

Значение воды для живых организмов

Экологические проблемы воды

Сточные воды

Методы очистки сточных вод

Механическая очистка стоков

Биохимическая очистка

Обеззараживание воды

Применение воды

Вода и человек

Заключение

Использованный список литературы

Введение

вода химический состав применение очистка

Вода в нашей жизни - самое обычное и самое распространенное вещество. Однако с научной точки зрения это самая необычная, самая загадочная жидкость. Пожалуй, только жидкий гелий может соперничать с ней. Но необычные свойства жидкого гелия (такие, как сверхтекучесть) проявляются при очень низких температурах (вблизи абсолютного нуля) и обусловлены специфическими квантовыми законами. Поэтому жидкий гелий - это экзотическое вещество. Вода же в нашем сознании является прообразом всех жидкостей, и тем более удивительно, когда мы называем ее самой необычной. Но в чем же заключается необычность воды? Дело в том, что трудно назвать какое-либо ее свойство, которое не было бы аномальным, то есть ее поведение (в зависимости от изменения температуры, давления и других факторов) существенно отличается от такового у подавляющего большинства других жидкостей, у которых это поведение похоже и может быть объяснено из самых общих физических принципов. К таким обычным, нормальным жидкостям относятся, например, расплавленные металлы, сжиженные благородные газы (за исключением гелия), органические жидкости (бензин, являющийся их смесью, или спирты).Вода имеет первостепенное значение при большинстве химических реакций, в частности и биохимических. Древнее положение алхимиков - «тела не действуют, пока не растворены» - в значительной степени справедливо. Человек и животные могут в своем организме синтезировать первичную ("ювенильную") воду, образовывать ее при сгорании пищевых продуктов и самих тканей. У верблюда, например, жир содержащийся в горбу, может путем окисления дать 40 л воды. Связь между водой и жизнью столь велика, что даже позволила В. И. Вернадскому «рассматривать жизнь, как особую коллоидальную водную систему... как особое царство природных вод». Вода - вещество привычное и необычное. Известный советский ученый академик И.В.Петрянов свою научно - популярную книгу о воде назвал “Самое необыкновенное вещество в мире”. А доктор биологических наук Б.Ф.Сергеев начал свою книгу “Занимательная физиология” с главы о воде - “Вещество, которое создало нашу планету”. Ученые правы: нет на

Земле вещества более важного для нас, чем обыкновенная вода, и в то же время не существует другого такого же вещества, в свойствах которого было бы столько противоречий и аномалий, сколько в её свойствах.

Вода на планете Земля

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 кол Из общего количества воды на Земле, равного 1 млрд. 386 млн. кубических километров, 1 млрд. 338 млн. кубических километров приходится на долю солёных вод Мирового океана, и только 35 млн. кубических километров приходится на долю пресных вод. Всего количества океанической воды хватило бы на то, чтобы покрыть ею земной шар слоем более 2,5 километров. На каждого жителя Земли приблизительно приходится 0,33 кубических километров морской воды и 0,008 кубических километров пресной воды. Но трудность в том, что подавляющая часть пресной воды на Земле находится в таком состоянии, которое делает её труднодоступной для человека. Почти 70% пресных вод заключено в ледниковых покровах полярных стран и в горных ледниках, 30% - в водоносных слоях под землёй, а в руслах всех рек содержатся одновременно всего лишь 0,006% пресных вод.

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.

Водная среда

Водная среда включает поверхностные и подземные воды. Поверхностные воды в основном сосредоточены в океане, содержанием 1 млрд. 375 млн. кубических километров - около 98% всей воды на Земле. Поверхность океана (акватория) составляет 361 млн. квадратных километров. Она примерно в 2,4 раза больше площади суши территории, занимающей 149 млн. квадратных километров. Вода в океане соленая, причем большая ее часть (более 1 млрд. кубических километров) сохраняет постоянную соленость около 3,5% и температуру, примерно равную 3,7 oС. Заметные различия в солености и температуре наблюдаются почти исключительно в поверхностном слое воды, а также в окраинных и особенно в средиземных морях. Содержание растворенного кислорода в воде существенно уменьшается на глубине 50-60 метров.

Подземные воды бывают солеными, соленоватыми (меньшей солености) и пресными; существующие геотермальные воды имеют повышенную температуру (более 30 oС). Для производственной деятельности человечества и его хозяйственно-бытовых нужд требуется пресная вода, количество которой составляет всего лишь 2,7% общего объема воды на Земле, причем очень малая ее доля (всего 0,36%) имеется в легкодоступных для добычи местах. Большая часть пресной воды содержится в снегах и пресноводных айсбергах, находящихся в районах в основном Южного полярного круга. Годовой мировой речной сток пресной воды составляет 37,3 тыс. кубических километров. Кроме того, может использоваться часть подземных вод, равная 13 тыс. кубическим километрам. При отсутствии пресной воды используют соленую поверхностную или подземную воду, производя ее опреснение или гиперфильтрацию: пропускают под большим перепадом давлений через полимерные мембраны с микроскопическими отверстиями, задерживающими молекулы соли. Оба эти процесса весьма энергоемки, поэтому представляет интерес предложение, состоящее в использовании в качестве источника пресной воды пресноводных айсбергов (или их части), которые с этой целью буксируют по воде к берегам, не имеющим пресной воды, где организуют их таяние. По предварительным расчетам разработчиков этого предложения, получение пресной воды будет примерно вдвое менее энергоемки по сравнению с опреснением и гиперфильтрацией. Важным обстоятельством, присущим водной среде, является то, что через нее в основном передаются инфекционные заболевания (примерно 80% всех заболеваний). Впрочем, некоторые из них, например коклюш, ветрянка, туберкулез, передаются и через воздушную среду. С целью борьбы с распространением заболеваний через водную среду Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) объявила текущее десятилетие десятилетием питьевой воды.

Строение молекулы воды и изотопный состав

Молекула воды состоит из двух атомов водорода (Н) и одного атома кислорода (О). Все многообразие свойств воды и необычность их проявления в конечном счете определяются физической природой этих атомов и способом их объединения в молекулу. В отдельной молекуле воды ядра водорода и кислорода расположены так относительно друг друга, что образуют как бы равнобедренный треугольник со сравнительно крупным ядром кислорода на вершине и двумя мелкими ядрами водорода у основания. В молекуле воды имеются четыре полюса зарядов: два отрицательных за счет избытка электронной плотности у кислородных пар электронов и два положительных - вследствие недостатка электронной плотности у ядер водорода - протонов. Такая ассиметричность распределения электрических зарядов воды обладает ярко выраженными полярными свойствами; она является диполем с высоким дипольным моментом -1,87 дебай

Благодаря этому молекулы воды стремятся нейтрализовать электрическое поле. Под воздействием диполей воды на поверхности погруженных в нее веществ межатомные и межмолекулярные силы ослабевают в 80 раз. Столь высокая диэлектическая проницаемость из всех известных веществ присуща только воде. Этим объясняется ее способность быть универсальным растворителем.

Помогая" контактирующим с ней молекулам разлагаться на ионы (например, солям кислот), сама вода проявляет большую устойчивость. Из 1 млрд. молекул воды диссоциированными при обычной температуре оказываются лишь две, при этом протон не сохраняется в свободном состоянии, а вероятнее всего входит в состав иона гидроксония. ( Гидроксоний (Н3О+) - это гидратированный ион водорода; существует в водных растворах кислот)

Вода химически не изменяется под действиям большинства тех соединений, которые она растворяет, и не изменяет их. Это характеризует ее инертным растворителем, что важно для живых организмов на нашей планете, поскольку необходимые их тканям питательные вещества поступают в водных растворах в сравнительно устойчивом виде. Как растворитель вода многократно используется, неся в своей структуре память о ранее растворенных в ней веществах. Молекулы в объеме воды сближаются противоположными зарядами, возникают межмолекулярные водородные связи между ядрами водорода и неподеленными электронами кислорода, насыщая электронную недостаточность водорода одной молекулы воды и фиксируя его по отношению к кислороду другой молекулы. Тетраэдрическая направленность водородного облака позволяет образовать четыре водородные связи для каждой водной молекулы, которая благодаря этому может ассоциировать с четырьмя соседними. В такой модели углы между каждой парой линий, соединяющих центр (атом О) с вершинами, равны 109,5 С.

Водородные связи в несколько раз слабее ковалентных связей, объединяющих атомы кислорода и водорода. Микромолекулярная структура воды с большим количеством полостей позволяет ей, разрывая водородные связи, присоединять молекулы или части молекул других веществ, способствуя их растворению.Сравнивая воду - гидрид кислорода с гидридами элементов, входящих в одну с кислородом подгруппу периодической системы Д.И. Менделеева, следовало бы ожидать, что вода должна кипеть при - 70 оС, а замерзать при - 90 оС. Но в обычных условиях вода замерзает при Такое резкое отклонение от установленной закономерности как раз и объясняется тем, что вода является ассоциированной жидкостью. Ассоциированность ее сказывается и на очень высокой теплоте парообразования. Так, для того чтобы испарить 1 г воды, нагретой до 100 оС, требуется в шестеро больше тепла, чем для нагрева такого же количества воды от 0 до 80 оС. Благодаря этому вода является мощнейшим энергоносителем на нашей планете. По сравнению с другими веществами, она способна воспринимать гораздо больше тепла, существенно не нагреваясь. Вода выступает как бы регулятором температуры, сглаживая благодаря своей большой теплоемкости резкие температурные колебания. В интервале от 0 до 37 оС теплоемкость ее падает и только после 37 оС начинает повышаться. Минимум теплоемкости воды соответствует температуре 36 - 39 оС - нормальной температуре человеческого тела. Благодаря этому возможна жизнь теплокровных животных, в том числе и человека. 0 оС и закипает при 100 оС.

Изотопный состав воды. Атомы водорода и кислорода, образующие воду, или окись водорода, могут иметь различные массовые числа и отличаться друг от друга своими физико-химическими свойствами, но при этом они имеют одинаковый электрический заряд атомных ядер и поэтому занимают в периодической системе элементов одно и то же место. Такие разновидности атомов одного и того же химического элемента называются изотопами. Известны пять водородов и пять кислородов. Правда, по два из них (4H, 5H, 14O и 15O) радиоактивны и очень короткоживущи. Например, длительность существования водорода -4--4*10-11 сек. Наиболее широко известны следующие изотопы водорода: протий 1H( с относительной атомной массой 1), дейтерий 2H, или D ( c относительной атомной массой 2) и тритий 3H, или T ( c относительной атомной массой 3), наиболее тяжелый, но слаборадиоактивный водород ( его период полураспада 12,3 года), и изотопы кислорода: 16O, 17O и 18O. Эти шесть изотопов могут образовывать 18 изотопических разновидностей воды: 1Н216О; 1НD16О; D216О ; 1НT16О; DT16О; T2О16; 1Н217О; 1НD17О; D217О; 1НT17О; DT17О; T217О; 1Н218О; 1НD18О; D218О; 1НT18О; DT18О; T218О.

На Земле на 6800 атомов протия приходится один атом дейтерия, а в межзвездочном пространстве один атом дейтерия приходится уже на 200 атомов протия.

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 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.



Рассмотрим каждую из кривых более подробно. Начнем с кривой ОА, 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 зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры. Кривая ОА представляет собой график этой зависимости: точки кривой показывают те пары значений температуры и давления, при которых жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии друг с другом -- сосуществуют. Кривая ОА называется кривой равновесия жидкость--пар или кривой кипения. В таблице приведены значения давления насыщенного водяного пара при нескольких температурах.

Температура	Давление насыщенного пара	Температура	Давление насыщенного пара
	кПа	мм рт. ст.		кПа	мм рт. ст.
0	0,61	4,6	50	12,3	9
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

Попытаемся осуществить в цилиндре давление, отличное от равновесного, например, меньшее, чем равновесное. Для этого освободим поршень и поднимем его. В первый момент давление в цилиндре, действительно, упадет, но вскоре равновесие восстановится: испарится добавочно некоторое количество воды и давление вновь достигнет равновесного значения. Только тогда, когда вся вода испарится, можно осуществить давление, меньшее, чем равновесное. Отсюда следует, что точкам, лежащим на диаграмме состояния ниже или правее кривой ОА, отвечает область пара. Если пытаться создать давление, превышающее равновесное, то этого можно достичь, лишь опустив поршень до поверхности воды. Иначе говоря, точкам диаграммы, лежащим выше или левее кривой ОА, отвечает область жидкого состояния.

До каких пор простираются влево области жидкого и парообразного состояния? Наметим по одной точке в обеих областях и будем двигаться от них горизонтально влево. Этому движению точек на диаграмме отвечает охлаждение жидкости или пара при постоянном давлении. Известно, что если охлаждать воду при нормальном атмосферном давлении, то при достижении 0°С вода начнет замерзать. Проводя аналогичные опыты при других давлениях, придем к кривой ОС, отделяющей область жидкой воды от области льда. Эта кривая -- кривая равновесия твердое состояние -- жидкость, или кривая плавления,-- показывает те пары значений температуры и давления, при которых лед и жидкая вода находятся в равновесии.

Двигаясь по горизонтали влево в области пара (в нижнею части диаграммы), аналогичным образом придем к кривой 0В. Это--кривая равновесия твердое состояние--пар, или кривая сублимации. Ей отвечают те пары значений температуры к давления, при которых в равновесии находятся лед и водяной пар.

Все три кривые пересекаются в точке О. Координаты этой точки--это единственная пара значений температуры и давления,. при которых в равновесии могут находиться все три фазы: лед, жидкая вода и пар. Она носит название тройной точки.

Кривая плавления исследована до весьма высоких давлений, В этой области обнаружено несколько модификаций льда (на диаграмме не показаны).

Справа кривая кипения оканчивается в критической точке. При температуре, отвечающей этой точке,--критической температуре-- величины, характеризующие физические свойства жидкости и пара, становятся одинаковыми, так что различие между жидким и парообразным состоянием исчезает.

Существование критической температуры установил в 1860 г. Д. И. Менделеев, изучая свойства жидкостей. Он показал, что при температурах, лежащих выше критической, вещество не может находиться в жидком состоянии. В 1869 г. Эндрьюс, изучая свойства газов, пришел к аналогичному выводу.

Критические температура и давление для различных веществ различны. Так, для водорода

= --239,9 °N, = 1,30 МПа, для хлора =144°С, =7,71 МПа,

для воды

= 374,2 °С, =22,12 МПа.

Одной из особенностей воды, отличающих ее от других веществ, является понижение температуры плавления льда с ростом давления. Это обстоятельство отражается на диаграмме. Кривая плавления ОС на диаграмме состояния воды идет вверх влево, тогда как почти для всех других веществ она идет вверх вправо.

Превращения, происходящие с водой при атмосферном давлении, отражаются на диаграмме точками или отрезками, расположенными на горизонтали, отвечающей 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Так, плавление льда или кристаллизация воды отвечает точке D, кипение воды--точке Е, нагревание или охлаждение воды -- отрезку DE и т. п.

Диаграммы состояния изучены для ряда веществ, имеющих научное или практическое значение. В принципе они подобны рассмотренной диаграмме состояния воды. Однако на диаграммах состояния различных веществ могут быть особенности. Так, известны вещества, тройная точка которых лежит при давлении, превышающем атмосферное. В этом случае нагревание кристаллов при атмосферном давлении приводит не к плавлению этого вещества, а к его сублимации - превращению твердой фазы непосредственно в газообразную.

Физические свойства воды

Чистая вода представляет собой бесцветную без вкуса запаха прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает.

Как хорошо известно, вода принята за образец меры - эталон для всех других веществ. Казалось бы, за эталон для физических констант следовало бы выбрать такое вещество, которое ведет себя самым нормальным, обычным образом. А получилось как раз наоборот.

И первое, самое поразительное, свойство воды заключается в том, что вода принадлежит к единственному веществу на нашей планете, которое в обычных условиях температуры и давления может находиться в трех фазах, или трех агрегатных состояниях: в твердом (лед), жидком и газообразном (невидимый глазу пар).

Аномалия плотности

Всем известна аномалия плотности. Она двоякая. Во-первых, после таяния льда плотность увеличивается, проходит через максимум при 4 оС и только затем уменьшается с ростом температуры. В обычных жидкостях плотность всегда уменьшается с температурой. И это понятно. Чем больше температура, тем больше тепловая скорость молекул, тем сильнее они расталкивают друг друга, приводя к большей рыхлости вещества. Разумеется, и в воде повышение температуры увеличивает тепловую скорость молекул, но почему-то это приводит в ней к понижению плотности только при высоких температурах.

Вторая аномалия плотности состоит в том, что плотность воды больше плотности льда (благодаря этому лед плавает на поверхности воды, вода в реках зимой не вымерзает до дна и т.д.). Обычно же при плавлении плотность жидкости оказывается меньше, чем у кристалла. Это тоже имеет простое физическое объяснение. В кристаллах молекулы расположены регулярно, обладают пространственной периодичностью - это свойство кристаллов всех веществ. Но у обычных веществ молекулы в кристаллах, кроме того, плотно упакованы. После плавления кристалла регулярность в расположении молекул исчезает, и это возможно только при более рыхлой упаковке молекул, то есть плавление обычно сопровождается уменьшением плотности вещества. Такого рода уменьшение плотности очень мало: например, при плавлении металлов она уменьшается на 2 - 4%. А плотность воды превышает плотность льда сразу на 10%! То есть скачок плотности при плавлении льда аномален не только по знаку, но и по величине.

Переохлажденная вода

В последнее время много внимания уделяется изучению свойств переохлажденной воды, то есть остающейся в жидком состоянии ниже точки замерзания 0 оС. (Переохладить воду можно либо в тонких капиллярах, либо - еще лучше - в виде эмульсии: маленьких капелек в неполярной среде - "масле"). Что же происходит с аномалией плотности при переохлаждении воды? Она ведет себя странно. С одной стороны, плотность воды сильно уменьшается по мере переохлаждения (то есть первая аномалия усиливается), но, с другой стороны, она приближается к плотности льда при понижении температуры (то есть вторая аномалия ослабевает).

Аномалия сжимаемости

Вот еще пример аномалии воды: необычное температурное поведение ее сжимаемости, то есть степени уменьшения объема при увеличении давления . Обычно сжимаемость жидкости растет с температурой: при высоких температурах жидкости более рыхлы (имеют меньшую плотность) и их легче сжать. Вода обнаруживает такое нормальное поведение только при высоких температурах. При низких же сжимаемость ведет себя противоположным образом, в результате чего в ее температурном поведении появляется минимум при 45 оС.

На этих двух примерах мы видим, что необычные свойства воды характеризуются экстремальным поведением, то есть появлением максимумов (как в плотности) или минимумов (как в сжимаемости) на кривых их зависимостей от температуры. Такие экстремальные зависимости означают, что в воде имеет место противоборство двух процессов, каждый из которых обусловливает противоположное поведение рассматриваемого свойства. Один процесс - это обычное тепловое движение, усиливающееся с ростом температуры и делающее воду (как и любую другую жидкость) более раз упорядоченной; другой процесс необычный, присущий только воде, за счет него вода становится более упорядоченной при низких температурах. Разные свойства воды по-разному чувствительны к этим двум процессам, и поэтому положение экстремума наблюдается для каждого свойства при своей температуре.

Поверхностное натяжение

Среди необычных свойств воды трудно обойти вниманием еще одно - ее исключительно высокое поверхностное натяжение 0,073 Н/м (при 20o С). Из всех жидкостей более высокое поверхностное натяжение имеет только ртуть. Оно проявляется в том, что вода постоянно стремится стянуть, сократить свою поверхность, хотя она всегда принимает форму емкости, в которой находится в данный момент. Вода лишь кажется бесформенной, растекаясь по любой поверхности. Сила поверхностного натяжения заставляет молекулы ее наружного слоя сцепляться, создавая упругую внешнюю пленку. Свойства пленки также определяются замкнутыми и разомкнутыми водородными связями, ассоциатами различной структуры и разной степени упорядоченности. Благодаря пленке некоторые предметы, будучи тяжелее воды, не погружаются в воду (например, осторожно положенная плашмя стальная иголка). Многие насекомые (водомерки, ногохвостки и др.) не только передвигаются по поверхности воды, но взлетают с нее и садятся, как на твердую опору. Более того, живые существа приспособились использовать даже внутреннюю сторону водной поверхности. Личинки комаров повисают на ней с помощью не смачиваемых щетинок, а маленькие улитки - прудовики и катушки - ползают по ней в поисках добычи. Высокое поверхностное натяжение позволяет воде принимать шарообразную форму при свободном падении или в состоянии невесомости: такая геометрическая форма имеет минимальную для данного объема поверхность. Струя химически чистой воды сечением 1 см 2 по прочности на разрыв не уступает стали того же сечения. Водную струю как бы цементирует сила поверхностного натяжения. Поведение воды в капиллярах подчиняется и более сложным физическим закономерностям. Сент-Дьердьи отмечал, что в узких капиллярах возникают структурно упорядоченные слои воды вблизи твердой поверхности. Структурирование распространяется в глубь жидкой фазы на толщину слоя порядка десятков и сотен молекул (ранее предполагали, что упорядоченность ограничивается лишь мономолекулярным слоем воды, примыкающим к поверхности). Особенности структурирования воды в капиллярных системах позволяют с определенным основанием говорить о капиллярном состоянии воды. В природных условиях это состояние можно наблюдать у так называемой поровой воды. В виде тончайшей пленки она устилает поверхность полостей, пор, трещин пород и минералов земной коры. Развитые межмолекулярные контакты с поверхностью твердых тел, особенности структурной упорядоченности, вероятно, и являются причиной того, что поровая вода замерзает при более низкой температуре, чем обычная - свободная - вода. Исследования показали, что при замерзании связанной воды проявляются не только изменения ее свойств, - иными становятся и свойства тех горных пород, с которыми она непосредственно соприкасается.

Аномалия теплоемкости

Что же это за необычный процесс, происходящий в воде и делающий ее непохожей на другие жидкости? Чтобы уяснить его физическую сущность, рассмотрим еще одну, на мой взгляд, самую сильную аномалию воды - температурное поведение ее теплоемкости. Величина теплоемкости, как известно, показывает, сколько нужно затратить тепла, чтобы поднять температуру вещества на один градус. Для подавляющего числа веществ теплоемкость жидкости после плавления кристалла увеличивается незначительно - никак не более 10%. Другое дело - вода. При плавлении льда теплоемкость скачет от 9 до 18 кал/моль " град, то есть в два раза! Такого огромного скачка теплоемкости при плавлении не наблюдается ни у одного другого вещества: здесь вода абсолютный рекордсмен.Во льду энергия, подводимая для нагревания, тратится в основном на увеличение тепловой скорости молекул. Скачок теплоемкости после плавления означает, что в воде открываются какие-то новые процессы (и очень энергоемкие), на которые тратится, подводимое тепло и которые обусловливают появление избыточной теплоемкости. Такая избыточная теплоемкость и, следовательно, упомянутые энергоемкие процессы существуют во всем диапазоне температур, при которых вода находится в жидком состоянии. Она исчезает только в паре, то есть эта аномалия является свойством именно жидкого состояния воды. Теплоемкость воды аномальна не только по своему значению. Удельная теплоемкость разная при различных температурах, причем характер температурного изменения удельной теплоемкости своеобразен: она снижается по мере увеличения температуры в интервале от 0 до 37o С, а при дальнейшем увеличении температуры - возрастает. Минимальное значение удельной теплоемкости воды обнаружено при температуре 36,79o С, а ведь это нормальная температура человеческого тела! Нормальная температура почти всех теплокровных живых организмов также находится вблизи этой точки.При сильном переохлаждении теплоемкость сильно возрастает, то есть аномальный вклад в нее еще больше увеличивается. Переохлажденная вода еще более аномальна, чем обычная.

Химические свойства воды

1.Взаимодействие металлов с водой. Вода взаимодействует со всеми металлами,кроме Cu,Hg,Ag,Pt,Au. При взаимодействии активных металлов(Li,Na,K,Ca,Sr,Ba и тд) с водой при нормальных условиях выделяются водород и образуется щелочи:

2Na+2H2O>2NaOH+H2

Ca+2H2O>Ca(OH)2+H2

Малоактивные металлы(Mg,Zn,Fe ) взаимодействуют с водой при высокой температуре с оброзованием оксида этого металла и выделением водорода.Например,

Mg+H2O>MgO+H2

3Fe+4H2O>Fe3O4+H2

Zn+H2O>ZnO+H2^

2. Взаимодействие воды с неметаллами

2F2+2H2O>4HF+O2

Cl2+H2O>HCl+HclO

3Cl2+3H2O>5HCl+HClO3

H2,O2,N2 и инертные газы с водой не взаимодействуют.

3. вода взаимодействует с оксидами активнх металлов (Li2O,Na2O, K2O) с оброзованием щелочей.Например,

Na2O+H2O>2NaOH

CaO +H2O>Ca(OH)2

это реакция гашеной извести.

Оксиды малоактивных металлов (например,FeO,Al2O3,CuO,ZnO и др) с водой не взаимодействуют.

4.Вода также взаимодействует с большинством оксидов неметаллов (кроме SiO2 ).

SO3+H2O>H2SO4

N2O5+H2O>2HNO3

P2O5+H2O>2HPO3

P2O5+2H2O>H4P2O7

P2O5+2H2O>2H3PO4

5. Вода взаимодействует с гидридами металлов.

MeH+2H2O>MeOH+H2 Me=Li,Na,K

MeH2+2H2O>Me(OH)2+2H2 Me=Mg,Ca,Ba

6.Вода вступает в реакцию присоединения с ненасыщенными углеводородами.

CH2=CH2+H2O>CH3-CH2OH

HC?CH+H2O>CH3-COH (РЕАКЦИЯ КУЧЕРОВА)

H2C=CH-CH3+H2O>H3COH-CH3

7. В присутствии серной кислоты или щелочей вода вступает в реакцию гидролиза со сложными эфирами ,жирами,белками,крахмалом и целлюлозой.

CH3COOCH3+H2O>CH3COOH+CH3OH

HCOOHCH3+H2O>HCOOH+CH3OH

(C6H10O5)n+n(H2O)>nC6H12O6

(C6H10O5)n+nH2O>nC6H12O6

8.Вода используется для получения некоторых технических газов.

CH4+H2O(ПАР)>CO+3H2 (синтез газ)

C +H2O(ПАР)>CO+H2 (водяной газ)

Удивительные свойства воды

Вода - самое удивительное и самое загадочное вещество на Земле. Она играет важнейшую роль во всех жизненных процессах и явлений, происходящих на нашей планете и за ее пределами. Именно поэтому, древние философы рассматривали воду в качестве важнейшей составляющей части материи.

Аномальные свойства воды были открыты учеными в результате длительных и трудоемких исследований. Эти свойства столь привычны и естественны в обыденной нашей жизни, что обычный человек даже не подозревает об их существовании.

Аномальные свойства воды свидетельствуют о том, что молекулы Н2O в воде довольно прочно связаны между собой и образуют характерную молекулярную конструкцию, которая сопротивляется любым разрушающим воздействиям, например, тепловым, механическим, электрическим. По этой причине, например, необходимо затратить много тепла, чтобы превратить воду в пар.

Первые ренгеноструктурные исследования воды провели нидерландские ученые в 1922 году В. Кеез и Дж. де Смедт. Ими было показано, что для жидкой воды характерна упорядоченное размещение молекул воды, т.е. вода имеет определённую регулярную структуру.

Действительно, структура воды в живом организме во многом напоминает структуру кристаллической решетки льда. И именно этим объясняются сейчас уникальные свойства талой воды, долгое время сохраняющей структуру льда. Талая вода гораздо легче обычной вступает в реакцию с различными веществами, и организму не надо тратить добавочную энергию на перестройку ее структуры.

Было известно, что в воде есть ковалентные и водородные связи. Ковалентные связи не рвутся при фазовых переходах воды: вода-пар-лед. Лишь электролиз, нагревание воды на железе и т.п. разрывает ковалентные связи воды. Водородные связи в 24 раза слабее ковалентных. При таянии льда, снега, водородные связи в образующейся воде частично сохраняются, в паре воды они все разорваны.

Попытки представить воду как ассоциированную жидкость с плотной упаковкой молекул воды, подобно шарикам какой-либо емкости, не соответствовали элементарным фактическим данным. В этом случае удельная плотность воды должна была бы быть не 1 г/см3, а более 1,8 г/см3.

Второе важное доказательство в пользу особой структуры молекулы воды состояла в том, что в отличие от других жидкостей вода - это было уже известно - обладает сильным электрическим моментом, составляюющим ее дипольную структуру. Поэтому нельзя было представить наличие весьма сильного электрического момента молекулы воды в симметрической конструкции двух атомов водорода относительно атома кислорода, расположив все входящие в нее атомы по прямой линии, т.е. Н-О-Н.

Экспериментальные данные, а также математические расчеты окончательно убедили английских ученых в том, что молекула воды "однобока" и имеет "угловую" конструкцию, а оба атома водорода должны быть смещены в одну сторону относительно атома кислорода на угол 104,50:

Именно поэтому модель воды Бернала-Фаулера - трехструктурная, с наличием нескольких раздельных типов структур. Согласно этой модели, структура воды определяется структурой ее отдельных молекул.

В дальнейшем модель воды Бернала-Фаулера была уточнена и пересмотрена. На ее основе возникли более 20 моделей структуры воды, которые можно разделить на 5 групп; 1) непрерывные, 2) смешанные модели структуры воды (двух- и трехструктурные), 3) модели с заполнением пустот, 4) кластерные и 5) модели ассоциатов.

Непрерывные модели структуры воды постулируют, что вода - это единая тетраэдрическая сеть водородных связей между отдельными молекулами воды, которые искривляются при плавлении льда.

Смешанные модели: вода - это смесь двух или трех структур, например, одиночных молекул, их ассоциатов различной сложности - кластеров.

Дальнейшее усовершенствование этой модели привело к созданию модели с заполнением пустот (включая клатратные модели) и к кластерным моделям. Причём кластеры могут содержать боле несколько сот молекул Н2О и подобно мерцающим скоплениям непрерырвно возникают и разрушаются вследствие местных флуктуаций плотности.

Практически все кластерные гипотезы воды основываются на том, что жидкая вода состоит из сети из 4-кратно связанных молекул Н2О и мономеров, которые заполняют пространство между кластерами. На граничных поверхностях кластеров имеются 1, 2- или 3-х кратно связанные молекулы. Еще данную модель называют моделью "мерцающих скоплений". По С. Зенину, кластеры и ассоциаты являются основой структурной памяти воды - долговременной (стабильные) и кратковременной (лабильные, неустойчивые ассоциаты).

Профессор И.З. Фишер в 1961 г. ввел понятие о том, что структура воды зависит от временного интервала, в течение которого ее определяют. Он различал три вида структуры воды.

1. Мгновенная структура (время измерения t<to - времени оседлой жизни молекулы воды, где to - 10-13 сек). Данная структура существует меньше времени осцилляции молекул воды.

2. Структура воды средних отрезков времени, когда tд < t > to. 1 и 2 структуры общие со структурой льда. Эта структура существует больше времени осциляции, но меньше времени диффузии tд.

3. Структура, характерная для более длительных отрезков времени (>tд), когда молекула H2О передвигается на большие расстояния.

Д. Эзенберг и В. Каутсман связали названия этих трех структур воды с видами движения ее молекул, 1-ю структуру они назвали І-структурой (от английского instantenous - мгновенный), 2-ю - V-структурой (от английского vibrational- - вибрационный), 3-ю - D-структурой (от английского diffusion - диффузионный).

Значение воды для живых организмов

Вода имеет первостепенное значение на Земле и во всей Вселенной.

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. Прежде всего, вода может находиться в трёх основных состояниях: лёд, вода и пар. Существует более 200 различных структур льда, которые обнаружила наука.

В университете в Джорджии было обнаружено, что в любом человеческом теле все больные клетки (не важно, чем больные) окружены водой, которая называется "неструктурированной

". Было также обнаружено, что каждая здоровая клетка окружена "структурированной" водой. Что же это означает? Это просто, по крайней мере, с точки зрения химии.

В "неструктурированной" воде один электрон на внешней орбите просто отсутствует, а в "структурированной" воде нет отсутствующих электронов. Вода, когда она движется под давлением по трубам, вместо своего естественного движения по спирали, вынуждена двигаться по трубам концентрическими кольцами. Когда вода движется по трубам, её внешние электроны вытесняются с орбиты, в результате чего вода становится "неструктурированной". Это означает, что та вода из водопровода, которую мы пьём или в которой мы купаемся в ванной, даёт последствия в виде болезней. Если мы принимаем ванну в течение 20 минут, мы всасываем через кожу примерно 450 граммов воды, в которой сидим. Это равносильно тому, что мы выпили бы эту воду. Возможно, человечество совершает ошибку, в большой степени похожую на ту, которую совершали римляне, пользуясь тарелками и утварью из свинца.

Итак, это первое указание на различие между водой "структурированной" и "неструктурированной".

Когда это было обнаружено, многие начали искать способ, которым можно структурировать "неструктурированную" воду. Для этого по всему миру начали использовать магниты, странной формы стеклянные сосуды, металлические насадки и тому подобное. Наши исследования показали, что вода, которая была структурирована искусственным путём, когда её подвергали энергетическому анализу, не всегда выглядела как природная структурированная вода. Магнит, например, структурирует воду практически мгновенно, но, по данным Университета Джорджии, пить её небезопасно.

Кластерная вода. Около пятнадцати лет назад была обнаружена абсолютно новая вода. Она называется "кластерная вода". Под микроскопом, при увеличении в 20 тысяч раз, замороженная "кластерная вода" выглядела подобно крошечным снежинкам. "Кластерная вода" найдена у всех новорождённых, человеческих и других существ. Она обнаружена также во всех фруктах и овощах, выращенных без химических добавок. По мере того как мы становимся старше, "кластерная вода" в наших телах в какой-то момент вступает в соединения с протеинами. Поэтому нам следует употреблять "кластерную воду" ежедневно, чтобы обеспечить нормальный водообмен и функционирование клеток.

Сверхионизированная вода. Теперь, однако, миру стала доступной ещё одна новая вода, которая может изменить известный нам сейчас мир и вполне возможно спасти нас от невероятной экологической катастрофы в будущем. Эта вода называется "сверхионизированная вода". У её молекулы три дополнительных электрона на внешних орбитах, и она очень устойчива. Если сделать анализ этой новой воды, то вы не обнаружите ничего, кроме воды. Но если взять обычную лампу и просто опустить электрическую вилку в стакан с этой водой, то лампа включится, и свет от этой лампы будет ярче, чем, если бы вы просто включили её в розетку. Очевидно, что это необычная вода. Она насыщена электричеством.

Экологические проблемы воды

На свои нужды человечество использует главным образом пресные воды. Их объём составляет чуть больше 2% гидросферы, причём распределение водных ресурсов по земному шару крайне неравномерно. В Европе и Азии, где проживает 70% населения мира, сосредоточено лишь 39% речных вод.

Загрязнение воды - это понижение ее качества в результате попадания в реки, ручьи, озера, моря и океаны различных физических, химических или биологических веществ. Загрязнение воды имеет много причин.

Сточные воды

Промышленные стоки, содержащие неорганические и органические отходы, нередко спускаются в реки и моря. Ежегодно в водные источники попадают тысячи химических веществ, действие которых на окружающую среду заранее не известно. Сотни из этих веществ представляют собой новые соединения. Хотя промышленные стоки во многих случаях подвергаются предварительной очистке, они все-таки содержат токсичные вещества, которые трудно обнаружить.

Бытовые сточные воды, содержащие, например, синтетические моющие средства, в конце концов попадают в реки и моря. Удобрения, смываемые с поверхности почвы, попадают в водостоки, ведущие к озерам и морям. Все эти причины приводят к сильному загрязнению воды, особенно в замкнутых бассейнах-озерах, заливах и фьордах.

Твердые отходы. Если в воде находится большое количество взвешенных твердых веществ, они делают ее непрозрачной для солнечного света и тем самым препятствуют процессу фотосинтеза в водных бассейнах. Это в свою очередь вызывает нарушения в цепи питания в таких бассейнах. Кроме того, твердые отходы вызывают заиливание рек и судоходных каналов, что приводит к необходимости частого проведения дноуглубительных работ.

Эвтрофикация. В промышленных и сельскохозяйственных сточных водах, которые попадают в водные источники, велико содержание нитратов и фосфатов. Это приводит к пересыщению удобряющими веществами замкнутых водоемов и вызывает в них усиленный рост простейших микроорганизмов-водорослей. Особенно сильно разрастается сине-зеленая водоросль. Но, к сожалению, она несъедобна для большинства видов рыб. Разрастание водорослей приводит к поглощению из воды большего количества кислорода, чем может естественно образовываться в ней. В результате происходит увеличение ВПК такой воды. Попадание в воду биологических отходов, например древесной целлюлозы или необработанных канализационных вод, также приводит к повышению ВПК. Другие растения и живые существа не могут выжить в такой среде. Однако в ней сильно размножаются микроорганизмы, способные разлагать мертвые растительные и животные ткани. Эти микроорганизмы поглощают еще больше кислорода и образуют еще больше нитратов и фосфатов. Постепенно в таком водоеме значительно уменьшается число видов растений и животных. Наиболее важными жертвами происходящего процесса оказываются рыбы. В конце концов, уменьшение концентрации кислорода в результате разрастания водорослей и микроорганизмов, разлагающих мертвые ткани, приводит к старению озер и их заболачиванию. Этот процесс называется эвтрофикацией.

Токсичность неорганических отходов. Сброс промышленных сточных вод в реки и моря приводит к повышению в них концентрации токсичных ионов тяжелых металлов, например кадмия, ртути и свинца. Существенная их часть поглощается или адсорбируется определенными веществами, и это иногда называют процессом самоочищения. Однако в замкнутых бассейнах тяжелые металлы могут достигать опасно высоких уровней.

Пестициды. Наиболее токсичными пестицидами являются галогенопроизводные углеводородов, например ДДТ и полихлорированные бифенилы. Хотя ДДТ запрещен к применению уже во многих странах, в иных странах он еще продолжает применяться, и приблизительно 25% используемого количества этого вещества достигает моря. К сожалению, эти галогенопроизводные углеводородов химически устойчивы и не разлагаются микроорганизмами. Поэтому они накапливаются в цепи питания. ДДТ может уничтожать все живое в масштабе целых речных бассейнов; он также препятствует размножению птиц.

Утечка нефти. Только в США ежегодно происходит приблизительно 13000 случаев утечки нефти. В морскую воду ежегодно попадает до 12 млн. т нефти. В Великобритании ежегодно выливается в канализацию свыше 1 млн. т использованного машинного масла.

Нефть, пролитая в морскую воду, оказывает много неблагоприятных воздействий на жизнь моря. Прежде всего гибнут птицы-тонут, перегреваются на солнце или лишаются пищи. Нефть ослепляет живущих в воде животных-тюленей, нерпу. Она уменьшает проникнование света в замкнутые водоемы и может повышать температуру воды. Это особенно губительно для организмов, способных существовать только в ограниченном интервале температур. Нефть содержит токсичные компоненты, например ароматические углеводороды, которые губительно действуют на некоторые формы водной жизни даже в таких концентрациях, как несколько миллионных долей.

Методы очистки сточных вод

Чистые сточные воды- это воды, которые в процессе участия в технологии пр-ва практически не загрязняются и сброс которых без очисткине вызывает нарушений нормативов качества воды водного объекта.

Загрязненные сточные воды -это вод, которые в процессе используется загрязняются различными компонентами и сбрасываются без очистки, а также сточные воды, проходящие очистку степень которой ниже норм, которые установлены как предельно допустимые. Методы очистки сточных вод можно условно подразделить на деструктивные и регенеративные.

Деструктивные методы очистки сводятся к разрушению загрязняющих воду веществ путем их окисления или восстановления. Образуется при этом продукты распада удаляются из воды в виде осадков или газов либо остаются в ней в форме растворимых минеральных солей. Регенеративные методы позволяют извлекать и утилизировать содержание в воде ценные вещества.

Они далеко не всегда очищают воду до такого состояния, в котором ее можно сбрасывать в водоемы в этих случаях воду дочищают деструктивными методами.

Механическая очистка стоков

Сюда относятся отстой сточных вод в специально отстойниках, в которых происходит оседание взвешенных частиц на дно отстойников, сбор нефтепродуктов и другие нерастворимых в воде жидкостей с п-ности стоков устройствами типа механических рук и, наконец фильтрация вод через слой песка, примерно 1,5 метровой толщины.

Химическая, или реагентная, очистка один из видов обработки сточных вод - реакции нейтрализации. Поскольку хим. Природа отходов может быть различной, для нейтрализации одного вида отходов необходима уменьшить кислотные свойства, а для другого вида отходов- щелочные свойства. Чтобы контролировать реакцию нейтрализации, надо знать, какое количества кислоты или щелочи надо добавит в раствор для получения необходимые значения рН. Для этого используют метод титрования, по объему израсходованного титранта вычисляя количество определяемого вещества.

Реакций окисления - восстановления. Наиболее распространенные окислители и восстановители следующие: окислители кислород или воздух, озон, хлор, гипохлорит, перекись водорода, перманганат калия. Восстановители; хлорит, сульфат железа(2+), гидросульфит, диоксид серы, сероводород. Одним из важнейших окисляющих агентов является хлор, поэтому большинство химических операций со сточными водами начинается с хлорирования, чтобы высокотоксичный хлор к концу реагентной обработки полностью удалялся из воды. Окис -восстановительные реакции используется для превращения токсичных веществ в безвредные.

Биохимическая очистка

Она основано на способности аэробных микроорганизмов использовать для своего развития и жизнедеятельности те органическая соединения, которые не были удалены из очищаемой воды на предшествующих стадиях обработки. Потребили органического вещества, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в СО2, Н2О, нитрат и сульфат -иону, частично исполняют для образования собственной биомассы.

Биохимическую очистку можно проворить как в искусственных условиях -в биологических фильтрах и аэротеп - как, так и в естественных -на полях фильтрации, земледельческих полях орошения, биологических прудах.

Существуют аэробные и анаэробные методы биохимии. Очистки. Для аэробной очистки используется аэробные группы микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода и температура 20-400С. Анаэробная очистка протее каст без доступа кислорода и используется преимущественно для обезвреживания осадков. Биологические фильтры представляют собой резервуары, заполненные крупнозернистыми материалами например гравием, керамзитом, шлакам, крупным песком, сквозь которые фильтруются сточные воды, поступающие сверху по всей площади фильтра. Перспективно биохимическая очистка сточных вод в естественных условиях - на полях фильтрации и земледельческих полях орошения. В этих случаях для освобождения сточных вод от загрязняющих примесей используется очищающая способность самой почвы. Фильтруясь сквозь слой почвы, вода оставляет в ней взвешенные, коллоидные растворенные примеси. Микроорганизмы почвы окисляют органические загрязняющие вещества, превращая их в простейшие минеральные соединения -СО2, Н2О, соли.

В случае, если БПК (биологическая потребность кислорода) нормы, а также для удаления изб. активного сила и отходов сельхоз. Продуктов применяют анаэробную биохимические очистку. При этом источник кислорода в воде служат группы кислород содержащих анионов: NO3-, SO42-, CO32-. Для этого исполняют метановое брожение . В основе его лежит способность сообществ определенных микроорганизмов в ходе жизнедеятельности сначала в фазе кислого водородного брожения с помощью бактерий гидролизовать сложные органические соединения до более простых, а затем с помощью метанобразующих бактерий превращать их в метан и в угольную кислоту.

Однако не всякие сточные и природные воды могут быть очищены биохимическими методами. Нормы на содержание вредных веществ в сточных и природных водах, поступающих на биологические очистные сооружения по некоторой металлам след: Al3+-5мг/л; Fe3+-5 мг/мл; Cr6+ - 0,2 мг/мл; Mg2+- 1000 мг/л. Не все органическое вещества разлагаются на стадиях биохимический очистки. Так практически не разрушается бензин, красители, мазут и др. Эффективность биохимический очистки на самых современных установках состоится 90% на органический веществам и лишь 20-40% -по неорганический т.е. практически не снижается самсодержание. Не могут быть очищены воды, содержание более 1000 мг/л, фенолов, 300-500 мг/л спиртов, 25 мг/л нефтепродуктов, т.е. для многих случаев эти методы не эффективны.