Вода



Материал из ТеплоВики - энциклопедия отоплении

Перейти к: навигация, поиск
Вода.jpg

Вода - жидкое состояния химического соединения молекулярной формулы Н2О, прозрачная жидкость не имеющая цвета (в малом объеме) и запаха.

Содержание

Историческая справка

Идея древних философов о том, что все в природе образуют четыре элемента (стихии): земля, воздух, огонь и вода, просуществовала вплоть до Средних веков. В 1781 Г. Кавендиш сообщил о получении им воды при сжигании водорода, но не оценил в полной мере важности своего открытия. Позже (1783) А. Лавуазье доказал, что вода вовсе не элемент, а соединение водорода и кислорода. Й. Берцелиус и П. Дюлонг (1819), а также Ж. Дюма и Ж. Стас (1842) установили весовой состав воды, пропуская водород через оксид меди, взятый в строго определенном количестве, и взвешивая образовавшиеся медь и воду. Исходя из этих данных, они определили отношение Н:О для воды. Кроме того, в 1820-х годах Ж. Гей-Люссак измерил объемы газообразных водорода и кислорода, которые при взаимодействии давали воду: они соотносились между собой как 2:1, что, как мы теперь знаем, отвечает формуле Н2О.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Благодаря сильному притяжению между молекулами у воды высокие температуры плавления (0°С) и кипения (100°С). Толстый слой воды имеет голубой цвет, что обусловливается не только ее физическими свойствами, но и присутствием взвешенных частиц примесей. Вода горных рек зеленоватая из-за содержащихся в ней взвешенных частиц карбоната кальция. Чистая вода — плохой проводник электричества, ее удельная электропроводность равна 1,5·10-8 Ом-1·см-1 при 0°С. Сжимаемость воды очень мала: 43·10-6 см3 на мегабар при 20°С. Плотность воды максимальна при 4°С; это объясняется свойствами водородных связей ее молекул.

Давление паров Если оставить воду в открытой емкости, то она постепенно испарится — все ее молекулы перейдут в воздух. В то же время вода, находящаяся в плотно закупоренном сосуде, испаряется лишь частично, т. е. при определенном давлении водяных паров между водой и воздухом, находящимся над ней, устанавливается равновесие. Давление паров в равновесии зависит от температуры и называется давлением насыщенного пара (или его упругостью). Когда давление насыщенного пара сравнивается с внешним давлением, вода закипает. При обычном давлении 760 мм рт. ст. вода кипит при 100°С, а на высоте 2900 м над уровнем моря атмосферное давление падает до 525 мм рт. ст. и температура кипения оказывается равной 90°С. Испарение происходит даже с поверхности снега и льда, именно поэтому высыхает на морозе мокрое белье. Вязкость воды с ростом температуры быстро уменьшается и при 100°С оказывается в 8 раз меньше, чем при 0°С.

Химические свойства

Каталитическое действие. Очень многие химические реакции протекают только в присутствии воды. Так, окисление кислородом не происходит в сухих газах, металлы не реагируют с хлором и т. д.

Гидраты. Многие соединения всегда содержат определенное число молекул воды и называются поэтому гидратами. Природа образующихся при этом связей может быть разной. Например, в пентагидрате сульфата меди, или медном купоросе CuSO4·5H2O, четыре молекулы воды образуют координационные связи с ионом сульфата, разрушающиеся при 125°С; пятая же молекула воды связана так прочно, что отрывается лишь при температуре 250°С. Еще один стабильный гидрат — серная кислота; она существует в двух гидратных формах, SO3·H2O и SO2(OH)2, между которыми устанавливается равновесие. Ионы в водных растворах тоже часто бывают гидратированы. Так, Н+ всегда находится в виде иона гидроксония Н3О+ или Н5О2+; ион лития — в виде Li (H2O)6+ и т. д. Элементы как таковые редко находятся в гидратированной форме. Исключение составляют бром и хлор, которые образуют гидраты Br2·10H2O и Cl2·6H2О. Некоторые обычные гидраты содержат кристаллизационную воду, например хлорид бария BaCl2·2H2O, английская соль (сульфат магния) MgSO4·7H2O, питьевая сода (карбонат натрия) Na2CO3·10H2O, глауберова соль (сульфат натрия) Na2SO4·10H2O. Соли могут образовывать несколько гидратов; так, сульфат меди существует в виде CuSO4·5H2O, CuSO4·3H2O и CuSO4·H2O. Если давление насыщенного пара гидрата больше, чем атмосферное давление, то соль будет терять воду. Этот процесс называется выцветанием (выветриванием). Процесс, при котором соль поглощает воду, называется расплыванием.

Гидролиз — это реакция двойного разложения, в которой одним из реагентов является вода; трихлорид фосфора PCl3 легко вступает в реакцию с водой:

PCl3 + 3H2O = P(OH)3 + 3HCl

Аналогичным образом гидролизуются жиры с образованием жирных кислот и глицерина.

Сольватация Вода — полярное соединение, а потому охотно вступает в электростатическое взаимодействие с частицами (ионами или молекулами) растворенных в ней веществ. Образовавшиеся в результате сольватации молекулярные группы называются сольватами. Слой молекул воды, связанный с центральной частицей сольвата силами притяжения, составляет сольватную оболочку. Впервые понятие сольватации было введено в 1891 И. А. Каблуковым.

В 1931 Г. Юри показал, что при испарении жидкого водорода его последние фракции оказываются тяжелее обычного водорода вследствие содержания в них в два раза более тяжелого изотопа. Этот изотоп называется дейтерием и обозначается символом D. По своим свойствам вода, содержащая вместо обычного водорода его тяжелый изотоп, существенно отличается от обычной воды.

В природе на каждые 5000 массовых частей Н2О приходится одна часть D2O. Это соотношение одинаково для речной, дождевой, болотной воды, подземных вод или кристаллизационной воды. Тяжелая вода используется в качестве метки при исследовании физиологических процессов. Так, в моче человека соотношение между Н и D тоже равно 5000:1. Если дать пациенту выпить воду с большим содержанием D2O, то, последовательно измеряя долю этой воды в моче, можно определить скорость выведения воды из организма. Оказалось, что около половины выпитой воды остается в организме даже спустя 15 сут. Тяжелая вода, вернее, входящий в ее состав дейтерий — важный участник реакций ядерного синтеза.

Третий изотоп водорода — тритий, обозначаемый символом Т. В отличие от первых двух он радиоактивен и обнаружен в природе лишь в малых количествах. В пресноводных озерах соотношение между ним и обычным водородом равно 1:1018, в поверхностных водах — 1:1019, в глубинных водах он отсутствует.

Вода в природе

Волна.jpg

Вода на Земле может существовать в трёх основных состояниях — жидком (вода), газообразном (пар) и твёрдом (лед) 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 покрывает 3/4 поверхности Земли. Тело человека состоит из воды примерно на 70%, яйцо — на 74%, а некоторые овощи — это почти одна вода. Так, в арбузе ее 92%, в спелых томатах — 95%. Вода в природных резервуарах никогда не бывает однородной по составу: она проходит через горные породы, соприкасается с почвой и воздухом, а потому содержит растворенные газы и минеральные вещества. Более чистой является дистиллированная вода. По особенностям происхождения, состава или применения, выделяют:

Вода, обладающая временной (карбонатной) жесткостью, содержит бикарбонаты кальция и магния; ее можно умягчить несколькими способами:

  1. нагреванием, приводящим к разложению бикарбонатов на нерастворимые карбонаты;
  2. добавлением известковой воды (гидроксида кальция), в результате чего бикарбонаты превращаются в нерастворимые карбонаты;
  3. с помощью обменных реакций.

Вода, содержащая в большом количестве растворенный диоксид углерода, просачиваясь через известняковые породы, растворяет их, что приводит к образованию пещер. При повышении температуры начинается обратный процесс: бикарбонат разлагается и вновь образуется известняк. Именно из него состоят сталактиты и сталагмиты.

Лед

Основная статья: Лед

Лед - твердая фаза воды, используется в основном как хладагент. Он может находиться в равновесии с жидкой и газообразной фазами или только с газообразной фазой. Толстый слой льда имеет голубоватый цвет, что связано с особенностями преломления им света. Сжимаемость льда очень низка.

Лед при нормальном давлении существует только при температуре 0°С или ниже и обладает меньшей плотностью, чем холодная вода. Именно поэтому айсберги плавают в воде. При этом, поскольку отношение плотностей льда и воды при 0°С постоянно, лед всегда выступает из воды на определенную часть, а именно на 1/5 своего объема.

Строение молекулы воды а – угол между связями O-H; б – расположение полюсов заряда; в – внешний вид электронного облака молекулы воды.

Пар

Основная статья: Пар

Пар — газообразная фаза воды. Вопреки общепринятому мнению, он невидим. Тот пар, который вырывается из кипящего чайника, — это на самом деле множество мельчайших капелек воды. Пар обладает свойствами, очень важными для поддержания жизни на Земле. Хорошо известно, например, что под действием солнечного тепла вода с поверхности морей и океанов испаряется. Образующиеся водяные пары поднимаются в атмосферу и конденсируются, а затем выпадают на землю в виде дождя и снега. Без такого круговорота воды наша планета давно превратилась бы в пустыню.

Пар имеет множество применений. С одними мы хорошо знакомы, о других только слышали. Среди наиболее известных устройств и механизмов, работающих с применением пара, — утюги, паровозы, пароходы, паровые котлы. Пар вращает турбины генераторов на тепловых электростанциях.

Молекулярная структура

Анализ данных, полученных из спектров поглощения, показал, что три атома в молекуле воды образуют равнобедренный треугольник с двумя атомами водорода в основании и кислородом в вершине:

Валентный угол НОН равен 104,31°, длина связи О-Н составляет 0,99 Å(1 Å = 10-8 см), а расстояние Н-Н равно 1,515 Å. Атомы водорода так глубоко «внедрены» в атом кислорода, что молекула оказывается почти сферической; ее радиус — 1,38 Å.

Гидрология

Основная статья: Гидрология

Гидрология - наука, изучающая воды Земли, их свойства, распространение и протекающие в них процессы. Вода при нагревании может переходить из жидкого состояния в газообразное, стало очевидно, что под воздействием солнечного тепла нагревается поверхность океана и вода постоянно превращается в пар. Между тем и метеорология постепенно раскрывала причины изменений погоды. Известно, что дождь выпадает из облаков, а облака состоят из крошечных капелек воды или кристаллов льда. Наконец, происхождение облаков было соотнесено со скоплениями водяного пара в атмосфере, а описание гидрологического цикла — круговорота воды в природе — стало краеугольным камнем гидрологии.

См.также

Литература

Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. — Л.: 1975.

Зацепина Г. Н. Физические свойства и структура воды. — М.: 1987.

Источники

http://www.wilo.ua


Личные инструменты

Уважаемые участники проекта ТеплоВики!

Из соображений безопасности изменена система регистрации новых пользователей. Теперь, во время регистрации, вам нужно будет заполнить данную форму (все поля обязательны для заполнения) и подать запрос на регистрацию. Администрация сайта проверит вашу заявку и вам на e-mail придет письмо с подтверждением регистрации и данными для входа. При первом входе временный пароль рекомендуется изменить.

С уважением, администрация ТеплоВики!

Ваше реальное имя: *
Желаемый логин в системе: *
Номер телефона для связи: *
Ваш email: *

Ваши данные успешно отправлены администрации ТеплоВики. После проверки ваших данных, Вы будете зарегистрированы и получите письмо с временным паролем для входа.

Пространства имён
Варианты
Действия
Навигация
Инструкции
Инструменты
Печать/экспорт

Реклама