Свойства воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Российский Государственный Гидрометеорологический университет

Кафедра Океанологии

Дисциплина "Химия"

Реферат на тему:

"Свойства воды"

Выполнил ст. гр. О-136

Гусев М.В.

Санкт-Петербург

2011

Содержание

Введение

Строение молекулы

Физические свойства

Тяжелая (дейтериевая) вода

Омагниченная вода

Химические свойства воды

Заключение

Список литературы

Введение

Почти ѕ 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:

¹Н₂¹⁶О - 99,73%, ¹Н₂¹⁸О - 0,2%, ¹Н₂¹⁷О - 0,04%, ¹H²Н¹⁶О - 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 0,958 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.

Физические свойства

Физические свойства воды аномальны. Трёхмерная сетка водородных связей, построенная из тетраэдров, существует в жидкой воде во всём интервале от температуры плавления до критической температуры, равной + 3, 98⁰ С. 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 уменьшается. Совместное действие двух фактов объясняет наличие максимума плотности воды при температуре + 3, 98⁰ С.

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 водоёмы, а лишь покрываются ледяным покровом, что объясняет существование водных форм жизни на земле, а в следствии и всех остальных.

Температурный коэффициент объёмного расширения льда и жидкой воды отрицателен при температурах соответственно ниже - 210⁰ С и + 3, 98⁰ С.

Теплоёмкость при плавлении возрастает почти вдвое и в интервале от 0⁰ С до 100⁰ С 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.

Нужно подвести дополнительную энергию, чтобы разрушить водородные связи. И энергия эта очень значительна. Вот почему так велика теплоёмкость воды. Благодаря этой особенности вода формирует климат планеты. 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 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, тем самым не давая ей охлаждаться

Вода, несмотря на все её аномальные свойства, является эталоном для измерения температуры, 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 - 4⁰ С.

Вода используется и для измерения количества тепла. Одна калория - это количество тепла, нужное для нагревания 1 грамма воды с 14, 5 до 15, 50 С.

Все высоты и глубины на земном шаре отсчитываются от уровня моря.

Тяжелая (дейтериевая) вода

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 Н₂О, 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 ²Н), а обычный водород стали называть протием. Тяжёлая вода, окись дейтерия, выражается формулой D₂О. На каждые 6700 атомов протия в среднем приходится только один атом дейтерия.

Вскоре был открыт третий, сверхтяжёлый изотоп водорода с одним протоном и двумя нейтронами в ядре, который был назван тритием (Т или ³Н). В соединении с кислородом тритий образует сверхтяжёлую воду Т₂О с молекулярным весом 22. Тритий радиоактивен, период его полураспада немного больше 12 лет. Он непрерывно образуется в стратосфере под действием космического излучения. Количество трития на нашей Земле мало -- меньше одного килограмма на всем земном шаре; но, несмотря на это, он рассеян и его можно обнаружить повсюду.

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: вода тяжелый омагниченный молекула

Она хуже (на 5 - 15% ) растворяет различные соли. В тяжёлой воде скорость протекания некоторых химических реакций иная, чем в обычной воде, однако 100% дейтериевую воду тяжело получить. Она получается путем длительного электролиза, т. к. разложению подвергаются преимущественно молекулы Н₂О. Поэтому при длительном электролизе воды остаток постепенно обогащается молекулами D₂О. Из такого остатка после многократного повторения электролиза в 1933 г. впервые удалось выделить небольшое количество воды состоящей почти на 100% из молекул D₂О

Омагниченная 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.

Химические свойства воды

Из химических свойств воды особенно важны способность её молекул диссоциировать (распадаться) на ионы и способность 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 в незначительной степени протекает электролитическая диссоциация (автодиссоциация воды) по схеме:

Н₂О Н⁺ + ОН^-

Однако, приведённое уравнение условное: не может существовать в водной среде лишённый электронной оболочки протон Н⁺. Он сразу гидратируется водой до катионов оксония Н₃О⁺. Однако для простоты записи обычно используется обозначение Н⁺.

По Бренстенду такая реакция называется автопротолизом воды:

Н₂О + Н₂О Н₃О⁺ + ОН^-

Электролитическая диссоциация воды - причина гидролиза солей слабых кислот и оснований. Степень электролитической диссоциации заметно возрастает при повышении температуры.

Образование воды из элементов по реакции:

Н₂ + 1/2 О₂ Н₂О -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 550⁰ С 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^-.

Вода окисляется атомарным кислородом:

Н₂О + О Н₂О₂

При взаимодействии с F₂ образуется НF, а также О₂ ;О₃ ; Н₂О₂ ; F₂О и другие соединения. С остальными галогенами при низких температурах вода реагирует с образованием смеси кислот Н Гал. и Н Гал. О.

При обычных условиях с водой взаимодействует до половины растворённого в ней СI₂ и значительно меньшие количества Br₂ и J₂. При повышенных температурах СI₂ и Br₂ разлагают воду с образованием Н Гал. и О₂.

При пропускании паров воды через раскалённый уголь она разлагается и образуется так называемый водяной газ:

Н₂О + С СО + Н₂

При повышенной температуре в присутствии катализатора вода реагирует с СО; СН₄ и другими углеводородами, например:

Н₂О + СО СО₂ + Н₂

Н₂О + СН₄ СО + 3Н₂

Эти реакции используют для промышленного получения водорода.

Фосфор при нагревании с водой под давлением в присутствии катализатора окисляется в метафосфорную кислоту:

6Н₂О + 3Р 2НРО₃ + 5Н₂

Вода взаимодействует со многими металлами с образованием Н₂ и соответствующего 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 100⁰ С; Fe - выше 600⁰С :

2Fe + 3H₂O Fe₂O 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)₂O, CHCI₃ и многими другими веществами газовые гидраты.

Заключение

Примерно до конца 19 века вода считалась бесплатным неистощимым даром природы. Её не хватало только в слабозаселенных 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.

Количество способов получения пресной воды растет год от года. Неизвестно когда человечество сможет изучить все ее свойства, так как вода - один из самых аномальных соединений в природе, что только увеличивает ее значимость для науки.

Список литературы

1. Химия (Справ. изд. ), В. Шретер, К.Х. Лаутеншлегер, Х. Бибрак. ГДР, 1986 год. Пер. с нем. В.А. Молочко, С.В. Крынкиной. Москва, 1989 год.

2. Химическая энциклопедия, И.Л. Кнунянц. Москва, 1988 год.

3. Слово о воде, О.А. Спенглер. Ленинград, “Гидрометеоиздат“, 1980 год.

4. Самое необыкновенное вещество в мире. И.В. Петрянов. Москва, 1975 год.

5. http://ru. wikipedia. org - справочный материал (картинки)

Размещено на Allbest.ru