Распространение воды на земле. Доклад: Обычное и необычное вещество вода Сообщение на тему вода в нашей жизни
Введение 3
Физические свойства воды. 5
Агрегатные состояния. 7
Химические свойства воды. 9
Виды воды. 9
Мировые запасы воды. 11
Заключение. 20
Библиографический список: 21
Введение
Вода́ (оксид водорода) - прозрачная жидкость, не имеющая цвета (в малом объёме), запаха и вкуса. Химическая формула: Н2O. В твёрдом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном - водяным паром. Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озёра, реки, лёд на полюсах).
Является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы). Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды.
Почти 70% поверхности нашей планеты занято океанами и морями. Твёрдой водой – снегом и льдом – покрыто 20% суши. 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. Молекулы воды обнаружены в межзвёздном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников.
Состав воды (по массе): 11,19 % водорода и 88,81 % кислорода. Чистая вода прозрачна, не имеет запаха и вкуса. Наибольшую плотность она имеет при 0° С (1 г/см3). Плотность льда меньше плотности жидкой воды, поэтому лед всплывает на поверхность. Вода замерзает при 0° С и кипит при 100° С при давлении 101 325 Па. Она плохо проводит теплоту и очень плохо проводит электричество. Вода - хороший растворитель. Молекула воды имеет угловую форму атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104,5°. Поэтому молекула воды - диполь: та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, а часть, где находится кислород, - отрицательно. Благодаря полярности молекул воды электролиты в ней диссоциируют на ионы.
В жидкой воде наряду с обычными молекулами Н20 содержатся ассоциированные молекулы, т. е. соединенные в более сложные агрегаты (Н2О)x благодаря образованию водородных связей. Наличием водородных связей между молекулами воды объясняются аномалии ее физических свойств: максимальная плотность при 4° С, высокая температура кипения (в ряду Н20-Н2S - Н2Sе) аномально высокая теплоемкость . С повышением температуры водородные связи разрываются, и полный разрыв наступает при переходе воды в пар.
Вода - весьма реакционноспособное вещество. При обычных условиях она взаимодействует со многими основными и кислотными оксидами, а также со щелочными и щелочно-земельными металлами. Вода образует многочисленные соединения - кристаллогидраты.
Очевидно, соединения, связывающие воду, могут служить в качестве осушителей. Из других осушающих веществ можно указать Р205, СаО, ВаО, металлический Ма (они тоже химически взаимодействуют с водой), а также силикагель. К важным химическим свойствам воды относится ее способность вступать в реакции гидролитического разложения.
Физические свойства воды.
Вода обладает рядом необычных особенностей:
При таянии льда его плотность увеличивается (с 0,9 до 1 г/см³). Почти у всех остальных веществ при плавлении плотность уменьшается.
При нагревании от 0 °C до 4 °C (точнее, 3,98 °C) вода сжимается. Соответственно, при остывании - плотность падает. Благодаря этому могут жить рыбы в замерзающих водоёмах: когда температура падает ниже 4 °C, более холодная вода как менее плотная остаётся на поверхности и замерзает, а подо льдом сохраняется положительная температура.
Высокая температура и удельная теплота плавления (0 °C и 333,55 кДж/кг), температура кипения (100 °C) и удельная теплота парообразования (2250 КДж/кг ), по сравнению с соединениями водорода с похожим молекулярным весом.
Высокая теплоёмкость жидкой воды.
Высокая вязкость.
Высокое поверхностное натяжение.
Отрицательный электрический потенциал поверхности воды.
Все эти особенности связаны с наличием водородных связей. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По причине этого, а также того, что ион водорода (протон) не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. Благодаря этому, каждый атом кислорода притягивается к атомам водорода других молекул и наоборот. Определенную роль играет протонное обменное взаимодействие между молекулами и внутри молекул воды. Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырёх водородных связях: 2 атома водорода - каждый в одной, а атом кислорода - в двух; в таком состоянии молекулы находятся в кристалле льда. При таянии льда часть связей рвётся, что позволяет уложить молекулы воды плотнее; при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность её растёт, но при температуре выше 4 °С этот эффект становится слабее, чем тепловое расширение. При испарении рвутся все оставшиеся связи. Разрыв связей требует много энергии, отсюда высокая температура и удельная теплота плавления и кипения и высокая теплоёмкость. Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.
По сходным причинам вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные - атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.
Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде. Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.
Чистая (не содержащая примесей) вода - хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония H4O+) и гидроксильных ионов HO− составляет 0,1 мкмоль/л. Но поскольку вода - хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.
Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действия микроволновой печи.
Агрегатные состояния.
По состоянию различают:
Твёрдое - лёд
Жидкое - вода
Газообразное - водяной пар
Рис.1 «Типы снежинок»
При атмосферном давлении вода замерзает (превращается в лёд) при температуре в 0 °C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C. При снижении давления температура плавления воды медленно растёт, а температура кипения - падает. При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такое давление и температура называются тройной точкой воды. При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки льда падает со снижением давления.
При росте давления температура кипения воды растёт, плотность водяного пара в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды - падает. При температуре 374 °C (647 K) и давлении 22,064 МПа (218 атм) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоком давлении нет разницы между жидкой водой и водяным паром, следовательно, нет и кипения или испарения.
Так же возможны метастабильные состояния - пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, нетрудно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0 °C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.
Изотопные модификации воды.
И кислород, и водород имеют природные и искусственные изотопы. В зависимости от типа изотопов, входящих в молекулу, выделяют следующие виды воды:
Лёгкая вода (просто вода).
Тяжёлая вода (дейтериевая).
Сверхтяжёлая вода (тритиевая).
Химические свойства воды.
Вода является наиболее распространённым растворителем на Земле, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ. Её иногда рассматривают, как амфолит - и кислоту и основание одновременно (катион H+ анион OH-). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония), pKa ≈ ок. 16.
Сама по себе вода относительно инертна в обычных условиях, но её сильно полярные молекулы сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты и кристаллогидраты. Сольволиз, и в частности гидролиз, происходит в живой и неживой природе, и широко используется в химической промышленности.
Химические названия воды.
С формальной точки зрения вода имеет несколько различных корректных химических названий:
Оксид водорода
Гидроксид водорода
Монооксид дигидрогена
Гидроксильная кислота
англ. hydroxic acid
Оксидан (англ. oxidane)
Дигидромонооксид
Виды воды.
Вода на Земле может существовать в трёх основных состояниях - жидком, газообразном и твёрдом и в свою очередь приобретать самые разные формы, которые зачастую соседствуют друг с другом. Водный пар и облака в небе, морская вода и айсберги, горные ледники и горные же реки, водоносные слои в земле. Вода способна растворять в себе много веществ, приобретая тот или иной вкус. Из-за важности воды, «как источника жизни» её нередко подразделяют на типы.
Характеристики вод: по особенностям происхождения, состава или применения, выделяют, в числе прочего:
Мягкая вода и жёсткая вода - по содержанию катионов кальция и магния
Подземные воды
Талая вода
Пресная вода
Морская вода
Солоноватая вода (en:Brackish water)
Минеральная вода
Дождевая вода
Питьевая вода, Водопроводная вода
Тяжёлая вода, дейтериевая и тритиевая
Дистиллированная вода и деионизированная вода
Сточные воды
Ливневая вода или поверхностные воды
По изотопам молекулы:
Лёгкая вода (просто вода)
Тяжёлая вода (дейтериевая)
Сверхтяжёлая вода(тритиевая)
Выдуманная вода (обычно со сказочными свойствами)
Мёртвая вода - вид воды из сказок
Живая вода - вид воды из сказок
Святая вода - особый вид воды согласно религиозным учениям
Поливода
Структурированная вода - термин, применяемый в различных неакадемических теориях.
Мировые запасы воды.
Огромный слой соленой воды, покрывающий большую часть Земли, представляет собой единое целое и имеет примерно постоянный состав. Мировой океан огромен. Его объем достигает 1,35 миллиардов кубических километров. Он покрывает около 72% земной поверхности. Почти вся вода на Земле (97%) находится в мировом океане. Приблизительно 2,1% воды сосредоточено в полярных льдах и ледниках. Вся пресная вода в озерах, реках и в составе грунтовых вод составляет лишь 0,6%. Остальные 0,1% воды входят в состав соленой воды из скважин и солончаковых вод.
20-е столетие характеризуется интенсивным ростом населения Земли, развитием урбанизации. Появились города-гиганты с населением более 10-ти млн. человек. Развитие промышленности, транспорта, энергетики, индустриализация сельского хозяйства привели к тому, что антропогенное воздействие на окружающую среду приняло глобальный характер.
Повышение эффективности мер по охране окружающей среды связано прежде всего с широким внедрением ресурсосберегающих, малоотходных и безотходных технологических процессов, уменьшением загрязнения воздушной среды и водоемов. Охрана окружающей среды представляет собой весьма многогранную проблему, решением которой занимаются, в частности, инженерно-технические работники практически всех специальностей, которые связаны с хозяйственной деятельностью в населенных пунктах и на промышленных предприятиях, которые могут являться источником загрязнения в основном воздушной и водной среды.
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 3,7oС. 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, солоноватыми (меньшей солености) и пресными; существующие геотермальные воды имеют повышенную температуру (более 30 °С). 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. К сожалению, большая часть речного стока в России, составляющая около 5000 кубических километров, приходится на малоплодородные и малозаселенные северные территории. 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 здраво охранения (ВОЗ) объявила текущее десятилетие десятилетием питьевой воды.
Пресная вода. Пресные водные ресурсы существуют благодаря вечному круговороту воды. В результате испарения образуется гигантский объем воды, достигающий 525 тыс. км в год. (из-за неполадок шрифта объемы воды указаны без кубометров).
86 % этого количества приходится на соленые воды Мирового океана и внутренних морей - Каспийского. Аральского и др.; остальное испаряется на суше, причем половина благодаря транспирации влаги растениями. Каждый год испаряется слой воды толщиной примерно 1250 мм. Часть ее вновь выпадает с осадками в океан, а часть переносится ветрами на сушу и здесь питает реки и озера, ледники и подземные воды. Природный дистиллятор питается энергией Солнца и отбирает примерно 20 % этой энергии.
Всего 2 % гидросферы приходится на пресные воды, но они постоянно возобновляются. Скорость возобновления и определяет доступные человечеству ресурсы. Большая часть пресных вод - 85 % - сосредоточена во льдах полярных зон и ледников. Скорость водообмена здесь меньше, чем в океане, и составляет 8000 лет. Поверхностные воды суши обновляются примерно в 500 раз быстрее, чем в океане. Еще быстрее, примерно за 10-12 суток, обновляются воды рек. Наибольшее практическое значение для человечества имеют пресные воды рек.
Реки всегда были источником пресной воды. Но в современную эпоху они стали транспортировать отходы. Отходы на водосборной территории по руслам рек стекают в моря и океаны. Большая часть использованной речной воды возвращается в реки и водоемы в виде сточных вод. До сих пор рост очистных сооружений отставал от роста потребления воды. И на первый взгляд в этом заключается корень зла. На самом деле все обстоит гораздо серьезнее. Даже при самой совершенной очистке, включая биологическую, все растворенные неорганические вещества и до 10 % органических загрязняющих веществ остаются в очищенных сточных водах. Такая вода вновь может стать пригодной для потребления только после многократного разбавления чистой природной водой. И здесь для человека важно соотношение абсолютного количества сточных вод, хотя бы и очищенных, и водного стока рек.
Мировой водохозяйственный баланс показал, что на все виды водопользования тратится 2200 км воды в год. На разбавление стоков уходит почти 20 % ресурсов пресных вод мира. Расчеты на 2000 г. в предположении, что нормы водопотребления уменьшатся, а очистка охватит все сточные воды, показали, что все равно ежегодно потребуется 30 - 35 тыс. км пресной воды на разбавление сточных вод. Это означает, что ресурсы полного мирового речного стока будут близки к исчерпанию, а во многих районах мира они уже исчерпаны. Ведь 1 км очищенной сточной воды "портит" 10 км речной воды, а не очищенной - в 3-5 раз больше. Количество пресной воды не уменьшается, но ее качество резко падает, она становится не пригодной для потребления.
Человечеству придется изменить стратегию водопользования. Необходимость заставляет изолировать антропогенный водный цикл от природного. Практически это означает переход на замкнутое водоснабжение, на маловодную или малоотходную, а затем на "сухую" или безотходную технологию, сопровождающуюся резким уменьшением объемов потребления воды и очищенных сточных вод.
Запасы пресной воды потенциально велики. Однако в любом районе мира они могут истощиться из-за нерационального водопользования или загрязнения. Число таких мест растет, охватывая целые географические районы. Потребность в воде не удовлетворяется у 20 % городского и 75 % сельского населения мира. Объем потребляемой воды зависят от региона и уровня жизни и составляет от 3 до 700 л в сутки на одного человека. Потребление воды промышленностью также зависит от экономического развития данного района. Например, в Канаде промышленность потребляет 84 % всего водозабора, а в Индии - 1 %. Наиболее водоемкие отрасли промышленности - сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная и пищевая. На них уходит почти 70 % всей воды, затрачиваемой в промышленности. В среднем в мире на промышленность уходит примерно 20 % всей потребляемой воды. Главный же потребитель пресной воды - сельское хозяйство: на его нужды уходит 70-80 % всей пресной воды. Орошаемое земледелие занимает лишь 15-17 % площади сельскохозяйственных угодий, а дает половину всей продукции. Почти 70 % посевов хлопчатника в мире существует благодаря орошению.
Суммарный сток рек СНГ (СССР) за год составляет 4720 км. Но распределены водные ресурсы крайне неравномерно. В наиболее обжитых регионах, где проживает до 80 % промышленной продукции и находится 90 % пригодных для сельского хозяйства земель, доля водных ресурсов составляет всего 20 %. Многие районы страны недостаточно обеспечены водой. Это юг и юго-восток европейской части СНГ, Прикаспийская низменность, юг Западной Сибири и Казахстана, и некоторые другие районы Средней Азии, юг Забайкалья, Центральная Якутия. Наиболее обеспечены водой северные районы СНГ, Прибалтика, горные районы Кавказа, Средней Азии, Саян и Дальнего Востока.
Сток рек изменяется в зависимости от колебаний климата. Вмешательство человека в естественные процессы затронуло уже и речной сток. В сельском хозяйстве большая часть воды не возвращается в реки, а расходуется на испарение и образование растительной массы, так как при фотосинтезе водород из молекул воды переходит в органические соединения. Для регулирования стока рек, не равномерного в течение года, построено 1500 водохранилищ (они регулируют до 9 % всего стока). На сток рек Дальнего Востока, Сибири и Севера европейской части страны хозяйственная деятельность человека пока почти не повлияла. Однако в наиболее обжитых районах он сократился на 8 %, а у таких рек, как Терек, Дон, Днестр и Урал, - на 11-20 %. Заметно уменьшился водный сток в Волге, Сырдарье и Амударье. В итоге сократился приток воды к Азовскому морю - на 23 %, к Аральскому - на 33 %. Уровень Арала упал на 12,5 м.
Ограниченные и даже скудные во многих странах запасы пресных вод значительно сокращаются из-за загрязнения. Обычно загрязняющие вещества разделяют на несколько классов в зависимости от их природы, химического строения и происхождения.
Загрязнение водоемов.Пресные водоемы загрязняются в основном в результате спуска в них сточных вод от промышленных предприятий и населенных пунктов. В результате сброса сточных вод изменяются физические свойства воды (повышается температура, уменьшается прозрачность, появляются окраска, привкусы, запахи) ; на поверхности водоема появляются плавающие вещества, а на дне образуется осадок; изменяется химический состав воды (увеличивается содержание органических и неорганических веществ, появляются токсичные вещества, уменьшается содержание кислорода, изменяется активная реакция среды и др.) ; изменяется качественный и количественный бактериальный состав, появляются болезнетворные бактерии. Загрязненные водоемы становятся непригодными для питьевого, а часто и для технического водоснабжения; теряют рыбохозяйственное значение и т. д. Общие условия выпуска сточных вод любой категории в поверхностные водоемы определяются народнохозяйственной их значимостью и характером водопользования. После выпуска сточных вод допускается некоторое ухудшение качества воды в водоемах, однако это не должно заметно отражаться на его жизни и на возможности дальнейшего использования водоема в качестве источника водоснабжения, для культурных и спортивных мероприятий, рыбохозяйственных целей.
Наблюдение за выполнением условий спуска производственных сточных вод в водоемы осуществляется санитарно-эпидемиологическими станциями и бассейновыми управлениями.
Нормативы качества воды водоемов хозяйственно-питьевого культурно-бытового водопользования устанавливают качество воды для водоемов по двум видам водопользования: к первому виду относятся участки водоемов, используемые в качестве источника для централизованного или нецентрализованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для водоснабжения предприятий пищевой промышленности; ко второму виду - участки водоемов, используемые для купания, спорта и отдыха населения, а также находящиеся в черте населенных пунктов.
Отнесение водоемов к тому или иному виду водопользования проводится органами Государственного санитарного надзора с учетом перспектив использования водоемов.
Приведенные в правилах нормативы качества воды водоемов относятся к створам, расположенным на проточных водоемах на 1 км выше ближайшего по течению пункта водопользования, а на непроточных водоемах и водохранилищах на 1км в обе стороны от пункта водопользования.
Большое внимание уделяется вопросам предупреждения и устранения загрязнений прибрежных районов морей. Нормативы качества морской воды, которые должны быть обеспечены при спуске сточных вод, относятся к району водопользования в отведенных границах и к створам на расстоянии 300 м в стороны от этих границ. При использовании прибрежных районов морей в качестве приемника производственных сточных вод содержание вредных веществ в море не должно превышать ПДК, установленные по санитарно-токсикологическому, общесанитарному и рганолептическому лимитирующим показателям вредности. При этом требования к спуску сточных вод дифференцированы применительно к характеру водопользования. Море рассматривается не как источник водоснабжения, а как лечебный оздоровительный, культурно бытовой фактор.
Поступающие в реки, озера, водохранилища и моря загрязняющие вещества вносят значительные изменения в установившийся режим и нарушают равновесное состояние водных экологических систем. В результате процессов превращения загрязняющих водоемы веществ, протекающих под воздействием природных факторов, в водных источниках происходит полное или частичное восстановление их первоначальных свойств. При этом могут образовываться вторичные продукты распада загрязнений, оказывающих отрицательно влияние на качество воды.
Самоочищение воды водоемов - это совокупность взаимосвязанных гидродинамических, физико-химических, микробиологических и гидробиологических процессов, ведущих к восстановлению первоначального состояния водного объекта.
В связи с тем, что в сточных водах промышленных предприятий могут содержаться специфические загрязнения, их спуск в городскую водоотводящую сеть ограничен рядом требований. Выпускаемые в водоотводящую сеть производственные сточные воды не должны: нарушать работу сетей и сооружений; оказывать разрушающего воздействия на материал труб и элементы очистных сооружений; содержать более 500мг/л взвешенных и всплывающих веществ; содержать вещества, способные засорять сети или отлагаться на стенках труб; содержать горючие примеси и растворенные газообразные вещества, способные образовывать взрывоопасные смеси; содержать вредные вещества, препятствующие биологической очистке сточных вод или сбросу в водоем; иметь температуру выше 40 °С.
Производственные сточные воды не удовлетворяющие этим требованиям, должны предварительно очищаться и лишь после этого сбрасываться в городскую водоотводящую сеть.
Таблица 1
Мировые запасы воды
|
Наименование объектов |
Площадь рас-пространения в млн. куб.км |
Объем, тыс. куб. км |
Доля в мировом запасе, |
|
|
Мировой океан |
||||
|
Подземные воды |
||||
|
в том числе подземные: пресные воды |
||||
|
Почвенная влага |
||||
|
Ледники и постоянные снега |
||||
|
Подземные льды |
||||
|
Вода озер |
||||
|
Вода болот |
||||
|
Вода рек |
||||
|
Вода в атмосфере |
||||
|
Вода в организмах |
||||
|
Общие запасы воды |
||||
|
Общие запасы пресной воды |
Заключение.
Вода - одно из главных богатств на Земле. Трудно представить, что стало бы с нашей планетой, если бы исчезла пресная вода. Человеку нужно выпивать в день около 1,7 литров воды. И примерно в 20 раз больше ежедневно требуется каждому из нас для мытья, приготовления пищи и так далее. Угроза исчезновения пресной воды существует. От загрязнения воды страдает всё живое, она вредна для здоровья человека.
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.
Библиографический список:
Коробкин В. И., Передельский Л. В. Экология. Учебное пособие для вузов. - Ростов /на/Дону. Феникс, 2005.
Моисеев Н. Н. Взаимодействие природы и общества: глобальные проблемы // Вестник РАН, 2004. Т. 68. № 2.
Охрана окружающей среды. Учеб. пособие: В 2т / Под ред. В. И. Данилов - Данильян. – М.: Изд-во МНЭПУ, 2002.
Белов С. В. Охрана окружающей среды / С. В. Белов. – М. Высшая школа, 2006. – 319 с.
Дерпгольц В. Ф. Вода во вселенной. - Л.: "Недра", 2000.
Крестов Г. А. От кристалла к раствору. - Л.: Химия,2001.
Хомченко Г.П. Химия для поступающих в ВУЗы. - М., 2003г.
Вода как информационная основа живых систем (обычная и необыкновенная вода )
Реферат >> ЭкологияЧеловеческой цивилизации. Действительно, последние исследования свойств воды привели к открытию существования у неё различных... в народной медицине. Познание удивительных и завораживающих свойств воды начинается от созерцания прекрасных структурных...
Аномальные свойства воды
Реферат >> Химия... (О18). Оказывается, все многообразие свойств воды и необычность их проявления, в... подозреваем, что столь привычные и естественные свойства воды в природе, в различных технологиях, ... живого на свете вода обладает аномальными свойствами . Вода «не признает» ...
Без воды жизнь на нашей планете не могла бы существовать. Вода важна для живых организмов по двум причинам. Во-первых, она является необходимым компонентом живых клеток, и, во-вторых, для многих организмов она служит еще и средой обитания. Для человека ценность имеет лишь питьевая вода. Для получения питьевой воды используются , которые позволяют очистить ее от вредных примесей, сделать пригодной для питья и приготовления пищи. Именно поэтому следует сказать несколько слов о ее химических и физических свойствах.
Свойства эти довольно необычны и обусловлены главным образом малыми размерами молекул воды , их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями. Под полярностью подразумевают неравномерное распределение зарядов в молекуле. У воды один конец молекулы («полюс») несет небольшой положительный заряд, а другой - отрицательный. Такую молекулу называют диполем. У атома кислорода способность притягивать электроны выражена сильнее, чем у водородных атомов, поэтому атом кислорода в молекуле воды стремится оттянуть к себе электроны двух водородных атомов. Электроны заряжены отрицательно, в связи с чем атом кислорода приобретает небольшой отрицательный заряд, а водородные атомы - положительный.
В результате между молекулами воды возникает слабое электростатическое взаимодействие и, поскольку противоположные заряды притягиваются, молекулы как бы «склеиваются». Эти взаимодействия, более слабые, чем обычные ионные или ковалентные связи, называются водородными связями. Водородные связи постоянно образуются, распадаются и вновь возникают в толще воды. И хотя это слабые связи, но их совокупный эффект обусловливает многие необычные физические свойства воды. Учитывая данную особенность воды, мы можем теперь перейти к рассмотрению тех ее свойств, которые важны с биологической точки зрения.
Водородные связи между молекулами воды. А. Две молекулы воды, соединенные водородной связью-6+ - очень маленький положительный заряд; 6~ - очень маленький отрицательный заряд. Б. Сеть из молекул воды, удерживаемых вместе водородными связями. Такие структуры постоянно образуются, распадаются и вновь возникают в воде, находящейся в жидком состоянии.Биологическое значение воды
Вода как растворитель . Вода - превосходный растворитель для полярных веществ. К ним относятся ионные соединения, такие как соли, содержащие заряженные частицы (ионы), и некоторые неионные соединения, например сахара, в молекуле которых присутствуют полярные (слабо заряженные) группы (у Сахаров это несущая небольшой отрицательный заряд гидроксильная группа, -ОН). Когда вещество растворяется в воде, молекулы воды окружают ионы и полярные группы, отделяя ионы или молекулы друг от друга.
В растворе молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно, так что реакционная способность вещества возрастает. По этой причине в клетке большая часть химических реакций протекает в водных растворах . Неполярные вещества, например липиды, отталкиваются водой и в ее присутствии обычно притягиваются друг к другу, иными словами, неполярные вещества гидрофобны (гидрофобный - водоотталкивающий). Подобные гидрофобные взаимодействия играют важную роль в формировании мембран, а также в определении трехмерной структуры многих белковых молекул, нуклеиновых кислот и других клеточных компонентов.
Присущие воде свойства растворителя означают также, что вода служит средой для транспорта различных . Эту роль она выполняет в крови, в лимфатической и экскреторной системах, в пищеварительном тракте и во флоэме и ксилеме растений.
ГЛАВНЫЙ СОСТАВИТЕЛЬ РЕФЕРАТА
ПЕТРУНИНА
АЛЛА
БОРИСОВНА
МУНИЦИПАЛЬНАЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ
СРЕДНЯЯ ШКОЛА №4
РЕФЕРАТ
по химии на тему:
“Вода и её свойства”
Выполнила :
ученица 11 ”Б” класса
Петрунина Елена
ПЕНЗА 2001г.
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.
Почти ¾ поверхности нашей планеты занято океанами и морями. Твёрдой водой – снегом и льдом – покрыто 20% суши. 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.
Молекулы воды обнаружены в межзвёздном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников.
Изотопный состав. Существуют девять устойчивых изотопных разновидностей воды. Содержание их в пресной воде в среднем следующее: 1 Н216 О – 99,73%, 1 Н218 О – 0,2%,
1 Н217 О – 0,04%, 1 H2 Н16 О – 0,03%. Остальные пять изотопных разновидностей присутствуют в воде в ничтожно малых количествах.
Строение молекулы. Как известно, свойства химических соединений зависят от того, из каких элементов состоят их молекулы, и изменяются закономерно. Воду можно рассматривать как оксид водорода или как гидрид кислорода. Атомы водорода и кислорода в молекуле воды расположены в углах равнобедренного треугольника с длиной связи О – Н 0,957 нм; валентный угол Н – О – Н 104o 27’.
|
 |
Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону от кислородного, электрические заряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды полярна, что является причиной особого взаимодействия между разными её молекулами. Атомы водорода в молекуле воды, имея частичный положительный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул.Такая химическая связь называется в о д о р о д н о й . Она обьединяет молекулы воды в своеобразные полимеры пространственного строения. В водяном паре присутствует около 1% димеров воды. Расстояние между атомами кислорода – 0,3 нм. В жидкой и твёрдой фазах каждая молекула воды образует четыре водородные связи: две – как донор протонов и две – как акцептор протонов. Средняя длина этих связей – 0, 28 нм, угол Н – О – Н стремится к 1800.Четыре водородные связи молекулы воды направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра.
Структура модификаций льда представляет собой трёхмерную сетку. В модификациях, существующих при низких давлениях, так называемый лёд – I, связи Н – О – Н почти прямолинейны и направлены к вершинам правильного тетраэдра. Но при высоких давлениях обычный лёд можно превратить в так называемые лёд – II, лёд – III так далее – более тяжёлые и плотные кристаллические формы этого вещества. Самые твёрдые, плотные и тугоплавкие пока – лёд – VII и лёд – VIII. Лёд – VII получен под давлением 3 млрд Па, он плавится при температуре + 1900 C. В модификациях – лёд – II - лёд – VI – с вязи Н – О – Н искривлены и углы между ними отличаются от тетраэдрического, что обусловливает увеличение плотности по сравнению с плотностью обычного льда. Только в модификациях лёд – VII и лёд – VIII достигается самая высокая плотность упаковки: в их структуре две правильные сетки, выстроенные из тетраэдров, вставлены одна в другую, при этом сохраняется система прямолинейных водородных связей.
Трёхмерная сетка водородных связей, построенная из тетраэдров, существует и в жидкой воде во всём интервале от температуры плавления до критической температуры, равной + 3,980С. Увеличение плотности при плавлении, как и в случае плотных модификаций льда, объясняется искривлением водородных связей.
Искривление водородных связей увеличивается с ростом температуры и давления, что ведёт к возрастанию плотности. С другой стороны при нагревании средняя длина водородных связей становится больше, в результате чего плотность уменьщается. Совместное действие двух фактов объясняет наличие максимума плотности воды при температуре + 3, 980С.
Физические свойства воды аномальны, что объясняется приведёнными выше данными о взаимодействии между молекулами воды.
Вода – единственное вещество на Земле, которое существует в природе во всех трёх агрегатных состояниях – жидком, твёрдом и газообразном.
Плавление льда при атмосферном давлении сопровождается уменьшением объёма на 9%. Плотность жидкой воды при температуре, близкой к нулю, больше, чем у льда. При 00С 1 грамм льда занимает объём 1,0905 кубических сантиметров, а 1 грамм жидкой воды занимает объём 1,0001 кубических сантиметров. И лёд плавает, оттого и не промерзают обычно насквозь водоёмы, а лишь покрываются ледяным покровом.
Температурный коэффициент объёмного расширения льда и жидкой воды отрицателен при температурах соответственно ниже - 2100С и + 3,980С.
Теплоёмкость при плавлении возрастает почти вдвое и в интервале от 00С до 1000С почти не зависит от температуры.
Вода имеет незакономерно высокие температуры плавления и кипения в сравнении с другими водородными соединениями элементов главной подгруппы VI группы таблицы Менделеева.
теллуроводород селеноводород сероводород вода
Н 2 Те Н 2 S е Н 2 S Н2 О
t плавления - 510С - 640С - 820С 00С
_____________________________________________________
t кипения - 40С - 420С - 610С 1000С
_____________________________________________________
Нужно подвести дополнительную энергию, чтобы расшатать, а затем разрушить водородные связи. И энергия эта очень значительна. Вот почему так велика теплоёмкость воды. Благодаря этой особенности вода формирует климат планеты. Геофизики утверждают, что Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не вода. Нагреваясь, она поглощает тепло, остывая, отдаёт его. Земная вода и поглощает, и возвращает очень много тепла, и тем самым “выравнивает” климат. Особенно заметно на формирование климата материков влияют морские течения, образующие в каждом океане замкнутые кольца циркуляции. Наиболее яркий пример – влияние Гольфстрима, мощной системы тёплых течений, идущих от полуострова Флорида в Северной Америке до Шпицбергена и Новой Земли. Благодаря Гольфстриму средняя температура января на побережье Северной Норвегии, за Полярным кругом, такая же, как в степной части Крыма, - около 00С, т. е. повышена на 15 – 200С. А в Якутии на той же широте, но вдали от Гольфстрима – минус 400С. А от космического холода предохраняют Землю те молекулы воды, которые рассеяны в атмосфере – в облаках и в виде паров. Водяной пар создаёт мощный “парниковый эффект”, который задерживает до 60% теплового излучения нашей планеты, не даёт ей охлаждаться. По расчётам М.И.Будыко, при уменьшении содержания водяного пара в атмосфере вдвое средняя температура поверхности Земли понизилась бы более чем на 50С (с 14,3 до 90С). На смягчение земного климата, в частности на выравнивание температуры воздуха в переходные сезоны – весну и осень, заметное влияние оказывают огромные величины скрытой теплоты плавления и испарения воды.
Но не только поэтому мы считаем воду жизненно важным веществом. Дело в том, что тело человека почти на 63 – 68 % состоит из воды. Почти все биохимические реакции в каждой живой клетке – это реакции в водных растворах. С водой удаляются из нашего тела ядовитые шлаки; вода, выделяемая потовыми железами и испаряющаяся с поверхности кожи, регулирует температуру нашего тела. Представители животного и растительного мира содержат такое же обилие воды в своих организмах. Меньше всего воды, лишь 5 – 7% веса, содержат некоторые мхи и лишайники. Большинство обитателей земного шара и растения состоят более чем на половину из воды. Например, млекопитающие содержат 60 – 68 %; рыбы – 70 %; водоросли – 90 – 98 % воды.
В растворах же (преимущественно водных) протекает большинство технологических процессов на предприятиях химической промышленности, в производстве лекарственных препаратов и пищевых продуктов.
Не случайно гидрометаллургия – извлечение металлов из руд и концентратов с помощью растворов различных реагентов – стала важной отраслью промышленности.
Вода – это важный источник энергоресурсов. Как известно, все гидроэлектрические станции мира, от маленьких до самых крупных, превращают механическую энергию водного потока в электрическую исключительно с помощью водяных турбин с соединёнными с ними электрогенераторами. На атомных электростанциях атомный реактор нагревает воду, водяной пар вращает турбину с генератором и вырабатывает электрический ток.
Вода, несмотря на все её аномольные свойства, является эталоном для измерения темпкратуры, массы (веса), количества тепла, высоты местности.
Шведский физик Андерс Цельсий, член Стокгольмской академии наук, создал в 1742 году стоградусную шкалу термометра, которой в настоящее время пользуются почти повсеместно. Точка кипения воды обозначена 100, а точка таяния льда 0 .
При разработке метрической системы, установленной по декрету французского революционного правительства в 1793 году взамен различных старинных мер, вода была использована для создания основной меры массы (веса) – килограмма и грамма: 1 грамм, как известно, это вес 1 кубического сантиметра (милилитра) чистой воды при температуре её наибольшей плотности – 40С. Следовательно, 1 килограмм – это вес 1 литра (1000 кубических сантиметров) или 1 кубического дециметра воды: а 1 тонна (1000 килограммов) – это вес 1 кубического метра воды.
Вода используется и для измерения количества тепла. Одна калория – это количество тепла, нужное для нагревания 1 грамма воды с 14, 5 до 15,50С.
Все высоты и глубины на земном шаре отсчитываются от уровня моря.
В 1932 году американцы Г.Юри и Э.Осборн обнаружили, что даже в самой чистой воде, которую только можно получить в лабораторных условиях, содержится незначительное количество какого-то вещества, выражающегося, по-видимому, той же химической формулой Н2 О, но обладающего молекулярным весом 20 вместо веса 18, присущего обычной воде. Юри назвал это вещество тяжёлой водой. Большой вес тяжёлой воды объясняется тем, что её молекулы состоят из атомов водорода с удвоенным атомным весом по сравнению с атомами обычного водорода. Двойной вес этих атомов в свою очередь обусловливается тем, что их ядра содержат, кроме единственного протона, составляющего ядро обычного водорода, ещё один нейтрон. Тяжёлый изотоп водорода получил название дейтерия
(D или 2 Н), а обычный водород стали называть протием. Тяжёлая вода, окись дейтерия, выражается формулой D2 О.
Вскоре был открыт третий, сверхтяжёлый изотоп водорода с одним протоном и двумя нейтронами в ядре, который был назван тритием (Т или 3 Н). В соединении с кислородом тритий образует сверхтяжёлую воду Т2 О с молекулярным весом 22.
В природных водах содержится в среднем около 0,016% тяжёлой воды. Тяжёлая вода внешне похожа на обычную воду, но по многим физическим свойствам отличается от неё. Точка кипения тяжёлой воды 101,40С, точка замерзания + 3,80С. Тяжёлая вода на 11% тяжелее обычной. Удельный вес тяжёлой воды при температуре 250С равен 1,1. Она хуже (на 5 – 15%) растворяет различные соли. В тяжёлой воде скорость протекания некоторых химических реакций иная, чем в обычной воде.
И в физиологическом отношении тяжёлая вода воздействует на живое вещество иначе: в отличие от обычной воды, обладающей живительной силой, тяжёлая вода совершенно инертна. Семена растений, если их поливать тяжёлой водой, не прорастают; головастики, микробы, черви, рыбы в тяжёлой воде не могут существовать; если животных поить одной тяжёлой водой, они погибнут от жажды. Тяжёлая вода – это мёртвая вода.
Имеется ещё один вид воды, отличающийся по физическим свойствам от обычной воды, - это омагниченная вода. Такую воду получают с помощью магнитов, вмонтированных в трубопровод, по которому течет вода. Омагниченная вода изменяет свои физико – химические свойства: скорость химических реакций в ней увеличивается, ускоряется кристаллизация растворённых веществ, увеличивается слипание твёрдых частиц примесей и выпадение их в осадок с образованием крупных хлопьев (коагуляция). Омагничивание успешно применяется на водопроводных станциях при большой мутности забираемой воды. Она позволяет также быстро осаждать загрязненные промышленные стоки.
Из химических свойств воды особенно важны способность её молекул диссоциировать (распадаться) на ионы и способность воды растворять вещества разной химической природы.
Роль воды как главного и универсального растворителя определяется прежде всего полярностью её молекул и, как следствие, её чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемостью. Разноимённые электрические заряды, и в частности ионы, притягиваются друг к другу в воде в 80 раз слабее, чем притягивались бы в воздухе. Силы взаимного притяжения между молекулами или атомами погружённого в воду тела также слабее, чем в воздухе. Тепловому движению в этом случае легче разбить молекулы. Оттого и происходит растворение, в том числе многих труднорастворимых веществ: капля камень точит.
Лишь незначительная доля молекул (одна из 500 000 000) подвергается электролитической диссоциации по схеме:
Н2 + 1 /2 О2 Н2 О -242 кДж/моль для пара
286 кДж/моль для жидкой воды
При низких температурах в отсутствии катализаторов происходит крайне медленно, но скорость реакции резко возрастает при повышении температуры, и при 5500С она происходит со взрывом. При понижении давления и повышении температуры равновесие сдвигается влево.
Под действием ультрафиолетового излучения происходит фотодиссоциация воды на ионы Н+ и ОН- .
Ионизирующее излучение вызывает радиолиз воды с образованием Н2; Н2 О2 и свободных радикалов: Н*; ОН*; О* .
Вода – реакционноспособное соединение.
Вода окисляется атомарным кислородом:
Н2 О + С СО + Н2
При повышенной температуре в присутствии катализатора вода реагирует с СО; СН4 и другими углеводородами, например:
6Н2 О + 3Р 2НРО3 + 5Н2
Вода взаимодействует со многими металлами с образованием Н2 и сответствующего гидроксида. Со щелочными и щелочно-земельными металлами (кроме Мg) эта реакция протекает уже при комнатной температуре. Менее активные металлы разлагают воду при повышенной температуре, например, Мg и Zn – выше 1000С; Fe – выше 6000С:
2Fe + 3H2 O Fe2 O 3 + 3H2
При взаимодействии с водой многих оксидов образуются кислоты или основания.
Вода может служить катализатором, например, щелочные металлы и водород реагируют с CI2 только в присутствии следов воды.
Иногда вода – каталитический яд, например, для железного катализатора при синтезе NH3 .
Способность молекул воды образовывать трёхмерные сетки водородных связей позволяет ей давать с инертными газами, углеводородами, СО2, CI2, (CH2)2 O, CHCI3 и многими другими веществами газовые гидраты.
Примерно до конца 19 века вода считалась бесплатным неистощимым даром природы. Её не хватало только в слабонаселённых районах пустынь. В 20 веке взгляд на воду резко изменился. В результате быстрого роста населения земного шара и бурного развития промышленности проблема снабжения человечества чистой пресной водой стала чуть ли не мировой проблемой номер один. В настоящее время люди используют ежегодно около 3000 млрд кубических метров воды, и эта цифра непрерывно быстро растёт. Во многих густонаселённых промышленных районах чистой воды уже не хватает.
Недостаток пресной воды на земном шаре можно восполнить различными путями: опреснять морскую воду, а также заменять ею, где это возможно в технике, пресную воду; очищать сточные воды до такой степени, чтобы их можно было спокойно спускать в водоёмы и водотоки, не боясь загрязнить, и использовать вторично; экономно расходовать пресную воду, создавая менее водоёмкую технологию производства, заменяя, где это можно, пресную воду высокого качества водой более низкого качества и т.д.
В О Д А - о д н о и з г л а в н ы х б о г а т с т в ч е л о в е ч е с т в а н а З е м л е.
С П И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы:
1. Химическая энциклопедия. Том 1. Редактор И.Л.Кнунянц. Москва, 1988 год.
2. Энциклопедический словарь юного химика. Составители
В.А.Крицман, В.В.Станцо. Москва, “ Педагогика“, 1982год.
“ Гидрометеоиздат “, 1980 год.
4. Самое необыкновенное вещество в мире. Автор
И.В.Петрянов. Москва, “ Педагогика “ ,1975 год.
П Л А Н.
I.Вступление.
Высказывания известных учёных о воде.
II .Основная часть.
1.Распространение воды на планете Земля, в космическом
пространстве.
2.Изотопный состав воды.
3.Строение молекулы воды.
4.Физические свойства воды, их аномальность.
а).Агрегатные состояния воды.
б).Плотность воды в твёрдом и жидком состоянии.
в).Теплоёмкость воды.
г).Температуры плавления и кипения воды в сравнении с
другими водородными соединениями элементов
главной подгруппы YI группы таблицы Менделеева.
5.Влияние воды на формирование климата на планете
6.Вода как основной составной компонент растительных и
животных организмов.
7.Использование воды в промышленности, производстве
электроэнергии.
8.Использование вода как эталона.
а).Для измерения температуры.
б).Для измерения массы (веса).
в).Для измерения количества тепла.
г).Для измерения высоты местности.
9.Тяжёлая вода, её свойства.
10.Омагниченная вода, её свойства.
11.Химические свойства воды.
а).Образование воды из кислорода и водорода.
б).Диссоциация воды на ионы.
в).Фотодиссоциация воды.
г).Радиолиз воды.
д).Окисление воды атомарным кислородом.
е).Взаимодействие воды с неметаллами, галогенами,
углеводородами.
ж).Взаимодействие воды с металлами.
з).Взаимодействие воды с оксидами.
и).Вода как катализатор и ингибитор химических
III .Заключение.
Вода как одно из главных богатств человечества на Земле.
Введение…………………………………………………………………….3
Основная часть
1. Свойства воды…………………………………………………………5
2. Строение молекулы воды…………………………………………….10
Заключение…………………………………………………………………12
Библиография………………………………………………………………13
Приложение…………………………………………………………………14
Введение
Вода – одно из самых распространённых веществ в природе (гидросфера занимает 71 % поверхности Земли). Воде принадлежит важнейшая роль в геологии, истории планеты. Без воды невозможно существование живых организмов. Дело в том, что тело человека почти на 63% - 68% состоит из воды. Практически все биохимические реакции в каждой живой клетке – это реакции в водных растворах. В растворах же (преимущественно водных) протекает большинство технологических процессов на предприятиях химической промышленности, в производстве лекарственных препаратов и пищевых продуктов. И в металлургии вода чрезвычайно важна, причём не только для охлаждения. Не случайно гидрометаллургия – извлечение металлов из руд и концентратов с помощью растворов различных реагентов – стала важной отраслью промышленности.
Вода – вещество обычное и необычное. Известный советский учёный академик И. В. Петрянов свою научно-популярную книгу о воде назвал «самое необыкновенное вещество в мире». А «Занимательная физиология», написанная доктором биологических наук Б. Ф. Сергеевым, начинается с главы о воде – «Вещество, которое создало нашу планету».
Учёные абсолютно правы: нет на Земле вещества, более важного для нас, чем обыкновенная вода, и в тоже время не существует другого такого вещества, в свойствах которого было бы столько противоречий и аномалий, сколько в её свойствах.
Почти ⅔ поверхности нашей планеты занято океанами и морями. Твёрдой водой – снегом и льдом – покрыто 20% суши. От воды зависит климат планеты. Геофизики утверждают, что Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не вода. У неё очень большая теплоёмкость. Нагреваясь, она поглощает тепло; остывая, отдаёт его. Земная вода и поглощает, и возвращает очень много тепла и тем самым «выравнивает» климат. А от космического холода предохраняет Землю те молекулы воды, которые рассеяны в атмосфере – в облаках и в виде паров…
Свойства воды
Наиболее полно изучены свойства воды, благодаря которым возникла жизнь. Эти свойства сделали возможным существование живой природы в том диапазоне температур, который характерен для Земли как космического тела.
Что же это свойства?
Плотность воды.
Одно из важнейших свойств воды - ее плотность. Максимальную плотность пресная вода имеет при 4 °С. При этой температуре один килограмм воды занимает минимальный объем (рис.1). При понижении температуры от 4 °С до 0 плотность уменьшается, т. е. вода с температурой 4°С находится внизу, а более холодная поднимается наверх, где и замерзает, превращаясь в лед.
Плотность обычного льда - твердой кристаллической фазы воды - меньше плотности воды, поэтому лед плавает на поверхности, предохраняя воду от дальнейшего охлаждения. Он выступает в роли ледяной «шубы», защищающей пресноводный объект от полного промерзания. Таким образом формируются условия для жизни обитателей водоемов при низких температурах.
В морской воде растворено значительное количество солей, и она ведет себя при охлаждении совершенно по-другому. Температура ее замерзания зависит от солесодержания, но в среднем составляет - 1,9°С. Максимальная плотность такой воды - при температуре -3,5°С. Морская вода превращается в лед, не достигая максимальной плотности. Поэтому происходит вертикальное перемешивание морской воды при ее охлаждении от плюсовой температуры до температуры замерзания. Благодаря такой циркуляции нижние горизонты океана обогащаются кислородом, а в верхние слои из нижних поступает вода, богатая питательными веществами. Необходимо отметить, что как морской, так и пресный лед легче воды и плавает на ее поверхности, предохраняя глубинные слои воды в морях и океанах от непосредственного контакта с холодными массами воздуха и способствуя тем самым сохранению тепла. В то же время искусственно при высоком давлении были получены разные модификации льда. Одни из них тяжелее воды, другие плавятся и, следовательно, замерзают при высокой температуре. Это так называемый «горячий лед». Поэтому всем нам повезло не только с наличием на Земле воды и солнечной радиации, но и с величиной атмосферного давления. Иначе вся Земля могла бы оказаться скованной ледяным панцирем.
Термодинамические константы воды.
Вода имеет особенные, аномальные свойства. В первую очередь это касается таких термодинамических констант, как теплоемкость воды, теплота парообразования, скрытая теплота плавления льда. Аномальаный характер этих величин определяет большинство физико-химических и биологических процессов на Земле.
Удельная теплоемкость воды составляет 4,1868 кДж/(кг-К), что почти вдвое превышает удельную теплоемкость таких веществ, как этиловый спирт (2,847), растительное масло (2,091), парафин (2,911) и многие другие. А это значит, что при нагревании на одинаковое количество градусов вода способна воспринять почти вдвое больше тепла, чем перечисленные жидкости. Но и при остывании вода отдает больше тепла, чем другие жидкости. Поэтому при нагревании вод Мирового океана под воздействием солнечных лучей и их остывании при отсутствии энергии солнечной радиации теплоемкость выступает как свойство, обеспечивающее минимальные колебания температуры воды днем и ночью, летом и зимой.
Аномально высокое значение имеет теплота парообразования воды. Эта величина более чем вдвое превышает теплоту парообразования этанола, серной кислоты, анилина, ацетона и других веществ. Поэтому даже в самое жаркое время вода испаряется крайне медленно, что способствует ее сохранению и, следовательно, сохранению жизни на Земле.
Высокое значение скрытой теплоты плавления льда также обеспечивает стабильность температурного режима на планете.
Одно из интересных свойств воды заключается в том, что ее наименьшая теплоемкость приходится на температуру 37 °С, а это значит, что при данной температуре необходимы минимальные энергетические затраты для ее изменения. Наверное, поэтому температура тела теплокровных существ близка к этому значению.
Вода имеет аномально высокие значения и других констант. Вещества, образованные соединением водорода со стоящими в одном ряду периодической таблицы кислородом, серой, селеном, теллуром, называются гидридами. Гидрид кислорода называется водой. Необычность свойств гидрида кислорода, по сравнению со свойствами других гидридов, заключается в том, что, в отличие от них, вода в обычных условиях (при нормальном давлении и температуре от 0 до 100 °С) находится в жидком состоянии, а не в газообразном. Если бы вода не обладала аномальными значениями температуры кипения и замерзания, то эти процессы происходили бы при значительно более низких отрицательных температурах, и вода в жидком виде присутствовала бы на более холодных планетах. И следовательно, жизни на Земле не было бы.
Сила поверхностного натяжения воды.
Есть и другие особые свойства воды, которые позволяют назвать ее поистине удивительнейшим соединением. Речь идет о поверхностном натяжении жидкости. Силы взаимодействия молекул, составляющих воду, притягивают их друг к другу, и разорвать эту связь не так просто. Большинству людей известен школьный опыт, когда осторожно положенная в блюдце с водой иголка плавает на поверхности. Многие видели интереснейший фокус, когда в полный стакан воды опускают значительное количество монет и вода, не переливаясь через край, поднимается небольшим куполом. Наконец, известна библейская легенда о том, как Христос шел по воде. Все эти явления и легенды связаны с большим поверхностным натяжением воды. Благодаря поверхностному натяжению, вода поднимается по капиллярным каналам в грунте на поверхность Земли, поступает в ткани и клетки растений и живых организмов. Из всех известных жидкостей только у ртути сила поверхностного натяжения выше, чем у воды.
Известна очень интересная особенность воды, связанная с распространением в ней звуковых волн. Скорость распространения звука в воде аномально высока, она превышает скорость его распространения в воздухе почти в 6 раз.
Свойства чистой воды.
Чистая вода представляет собой прозрачную жидкость без цвета и запаха. При давлении 1 атм вода замерзает при температуре 0, а кипит при 100 °С. При повышении давления вдвое вода закипает при температуре 120 °С, а при понижении вдвое - при 81 °С. Однако при уменьшении давления температура плавления льда (или замерзания воды) повышается. При низких давлениях вода может существовать только в виде льда или пара, а при высоких температурах - только в виде пара. Существуют также критические значения давления и температуры воды. При давлении свыше 22,1 атм. и температуре свыше 374,4°С исчезает разница между жидкостью и паром вода существует в газообразном состоянии.
Удивительные значения давления и температуры атмосферы сложились на Земле, так как именно при этих значениях вода присутствует на планете в жидком виде, обеспечивая развитие всех существующих форм жизни. При этих параметрах происходит растворение в воде кислорода, необходимого для жизни водных организмов, а также для протекания процессов самоочищения воды. На протяжении многих тысячелетий наличие атмосферы, гидросферы и солнечного излучения создавало незначительный перепад температур летом и зимой, днем и ночью, обеспечивая условия для существования жизни.
Способность воды к растворению.
Однако самая удивительная особенность воды - ее способность растворять другие вещества. Способность веществ к растворению зависит от их диэлектрической постоянной. Чем она выше, тем больше способно вещество растворять другие. Так вот, для воды эта величина выше, чем для воздуха или вакуума в 9 раз. Поэтому пресные или чистые воды практически не встречаются в природе. В земной воде всегда что-то растворено. Это могут быть газы, молекулы или ионы химических элементов. Считается, что в водах Мирового океана могут быть растворены все элементы таблицы периодической системы элементов, по крайней мере, на сегодня их обнаружено более 80.
Строение молекулы воды
Эти два элемента - водород и кислород - являются антагонистами. Один из них господствует в Космосе, другой - на Земле. Один (водород) стремится отдать единственный электрон своей электронной оболочки, а другой (кислород) стремится заполучить два электрона от других химических элементов.
Анализируя состав молекулы воды, можно сказать, что в ней два атома водорода и один атом кислорода «нашли друг друга». Таким образом, в составе воды, химическая формула которой записывается как Н2 0 теоретически могут присутствовать девять различных стабильных видов воды (число перестановок из 5 по 3) Однако 99,97% всей води - в гидросфере представлено обычной водой вида 1 Н216 0. доля тяжелой воды 2 Н216 0 составляет менее 0,02%.
Современной науке известно несколько моделей, с помощью которых можно разрешить многие аномальные свойства воды. Считается, что некоторые свойства определяются количеством ассоциаций молекул мономеров (Н2 О)1, димеров (Н2 О)2 и тримеров (Н2 О)3, которые преимущественно присутствуют в воде при различных температурах.
Так, при температуре около 0 в воде присутствуют в основном тримеры, при температуре около 4°С - димеры, а в газообразном состоянии вода содержит главным образом мономеры. Иногда эти ассоциации называют тригидролями.
Некоторые ученые предлагают рассматривать воду как совокупность ассоциаций молекул, включая при этом в каждую ассоциацию от одной до восьми молекул. Другие считают, что структура воды представляет собой пространственное «кружево», образованное различными «мерцающими кластерами» (рис.2). Третьи предлагают исследовать свойства воды с учетом особенностей строения ее молекулы, которые, в свою очередь, определяются особенностями составляющих молекулу воды элементов. В соответствии с современными представлениями, молекула воды похожа на маленький магнит.
Почему в воде присутствуют растворенные вещества?
Датский ученый Н. Бьеррум в 1951 г. предложил модель молекулы воды с точечным распределением зарядов. В соответствии с современными представлениями, молекула воды представляет собой тетраэдр (или пирамиду, (рис. 3), в середине которого размещен центр молекулы, а в углах – электрические заряды.
Два положительных заряда соответствуют двум атомам водорода, каждый из которых «предоставил» свои электроны атому кислорода, и т отрицательных заряда, соответствующих «непарным» электронам кислорода. Таким образом, молекула воды представляет собой диполь, один из полюсов которого имеет положительный заряд, а другой - отрицательный. Полюсы диполя разнесены на некоторое расстояние, поэтому в электростатическом поле диполь воды разворачивается вдоль линий напряженности электрического поля. Если электростатическое поле образовано отрицательно заряженным ионом, то диполь воды разворачивается к этому иону своим положительным полюсом, и наоборот. Свойства воды как растворителя во многом определяются поляризованным строением ее молекулы. Высокая полярность молекул является причиной активности воды при химических взаимодействиях, при растворении в ней солей, кислот и оснований, т. е. при образовании электролитов. Вода способна растворять многие вещества, создавая с ними однородные физико-химические системы переменного состава. Растворенные в природных водах соли находятся в ионном состоянии, т. е. подвергнуты электролитической диссоциации.
Заключение
В ходе курсовой работы были рассмотрены свойства и строение молекулы воды. Вода – это вещество на первый взгляд обычное, но если рассмотреть его более подробно, то можно выяснить много чего интересного и необычного. Во первых, вода – это источник жизни на Земле, если бы не было воды то не зародилась бы жизнь. Во вторых, свойства которыми обладает вода, не обладает не одно вещество. Вода может находиться в трех агрегатных состояниях, при определенной температуре. Вода также может принимать и отдавать тепло, и испарятся медленнее чем другие вещества. Более того, в воде могут распространяться звуковые волны и причем с очень высокой скоростью. Но самое удивительное свойство воды, это способность растворять другие вещества.
Что же касается строения воды, то оно по своему также уникально. Вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, можно сказать что эти атомы просто нашли друг друга. Но ученые до сих пор не могут разгадать всех особенностей строения этого удивительного вещества, и многое для нас всех остается загадкой.
Вот что представляет собой на первый взгляд обычное вещество. А ведь никто и не задумывался о том когда каждый день сталкивается с водой, что это столь не вероятное и очень не обычное вещество, хранящее в себе много неразгаданных тайн. Но до конца нам их и не разгадать, в этом и есть вся необычность и особенность воды, без которой бы мы никогда не появились на свет.
Библиография
1. Ахметов Н.С., Неорганическая химия. М., 2001г.
2. Глинка Н.Л., Общая химия. СПб, 2003г.
3. Кнунянц И. Л., Химическая энциклопедия. Том 1. М., 2002г.
4. Петрянов И.В., Самое необыкновенное вещество в мире. М., 2005г.
5. Хомченко Г.П., Химия для поступающих в ВУЗы. М., 2002г.
Приложение
Российский Государственный Гидрометеорологический университет
Кафедра Океанологии
Дисциплина "Химия"
Реферат на тему: "Свойства воды"
Выполнил ст. гр. О-136
Гусев М.В.
Санкт-Петербург
I. Введение..............................................................................................................3
II. Основная часть...................................................................................................3
Физические свойства. ...................................................................................4
Тяжелая(дейтериевая) вода..........................................................................5
Омагниченная вода. ......................................................................................7
Химические свойства воды..........................................................................7
Список литературы: .............................................................................................10
I. Введение
Почти ¾ поверхности нашей планеты занято океанами и морями, а снегом и льдом – покрыто около 20% суши. 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. 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.
Вода – единственное вещество на Земле, которое существует в природе во всех трёх агрегатных состояниях – жидком, твёрдом и газообразном.
Молекулы воды были обнаружены в межзвёздном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников.
Существуют девять устойчивых изотопных разновидностей воды. Содержание их в пресной воде в среднем следующее:
1 Н 2 16 О – 99,73%, 1 Н 2 18 О – 0,2%, 1 Н 2 17 О – 0,04%, 1 H 2 Н 16 О – 0,03%.
Остальные пять изотопных разновидностей присутствуют в воде в ничтожно малых количествах.
II. Основная часть
Строение молекулы.
Как известно, свойства химических соединений зависят от того, из каких элементов состоят их молекулы, и изменяются закономерно. Воду можно рассматривать как оксид водорода или как гидрид кислорода. Атомы водорода и кислорода в молекуле воды расположены в углах равнобедренного треугольника с длиной связи О – Н 0,958 нм; валентный угол Н – О – Н 104 o 27’(104,45 о).
Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону от кислородного, электрические заряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды полярна, что является причиной особого взаимодействия между разными её молекулами. Атомы водорода в молекуле воды, имея частичный положительный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул (водородная связь). Она объединяет молекулы воды в своеобразные полимеры пространственного строения. В жидкой и твёрдой фазах каждая молекула воды образует четыре водородные связи: две – как донор протонов и две – как акцептор протонов. Средняя длина этих связей – 0, 28 нм, угол Н – О – Н стремится к 180 о.Четыре водородные связи молекулы воды направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра.
