Аномальные свойства воды и водных растворов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт биологии и химии

РЕФЕРАТ

на тему:

Аномальные свойства воды и водных растворов (плотность и объём, сжимаемость, рентгенофазовый анализ структуры льда, удельная теплота, температура плавления и кипения воды)

Выполнила:

студентка 2 курса магистратуры 3 группы

Карандашова Е.О.

Проверил:

проф. Горичев И.Г.

Москва 2018 г.

Содержание

Введение

1. Строение молекулы воды

2. Аномальные свойства воды

Заключение

Список литературы

Введение

Огромная роль воды в жизни человека и природы послужила причиной того, что она была одним из первых соединений, привлекших внимание ученых. Глубокие философские обобщения привели человечество к необходимости познания физической и химической природы воды. Тем не менее, изучение воды еще далеко не закончено.

В 1783 году выдающиеся экспериментаторы Генри Кавендиш и Антуан Лавуазье установили, что вода состоит из двух газов: водорода и кислорода и соотношение их выражается формулой Н20.

Исследование химического состава воды привело к открытию Генри Кавендишем водорода «горячего воздуха», рождающего воду, а также к созданию Джонам Дальтонам атомной теории вещества.

Открытие химического состава молекулы воды послужило началом бурному росту науки о биологической роли воды, об ее лечебно-профилактическом использовании.

Современному представлению о строении молекулы воды и водных растворов предшествовал бурный период научных и экспериментальных изысканий, подчас противоречивых и трудно воспроизводимых.

Это и химическая теория Д.И. Менделеева, и теория непрерывности газового и жидкого состояния Ван-дер-Ваальса, и гидрольная теория

У. Рамзая и Дж. Шильдса, и рентгенографический метод исследования Лауэ, и постулат Дебая о близости структуры жидкого состояния воды к твердой фазе на границе температурного раздела лед-вода и ряд других теорий. Однако в конце концов основные черты строения молекулы воды были расшифрованы. Как же сейчас мы представляем себе строение воды?

1. Строение молекулы воды

Начнем с элементарного -- со строения молекулы воды, состоящей из двух атомов водорода (Н) и одного атома кислорода (О). Оказывается, все многообразие свойств воды и необычность их проявления в конечном счете определяются физической природой этих атомов и способом их объединения в молекулу (рис. 1):

Рисунок 1. Молекула воды

Рисунок 2. Структура электронного облака молекулы воды

Электронное облако молекулы, образованное пятью парами электронов, схематически распределено так (рис. 2), что внутренняя пара окружает ядро кислорода, две внешние пары неравномерно поделены между ядрами кислорода и водорода, тяготея больше к кислороду, а остальные две пары кислород не делит с водородом, и их заряды остаются частично нескомпенсированными (рис. 3).

Рисунок 3. Расположение электронных пар в молекуле воды

Таким образом, в молекуле воды оказывается четыре полюса зарядов: два отрицательных за счет избытка электронной плотности у кислородных пар электронов и два положительных -- вследствие недостатка электронной плотности у несколько оголенных ядер водорода -- протонов.

Рисунок 4. Распределение зарядов в молекуле воды.

Эти заряды можно условно представить расположенными в вершинах частично искаженного тетраэдра (рис. 4). Вследствие такой асимметричности распределения электрических зарядов молекула воды обладает ярко выраженными полярными свойствами: она является диполем с высоким дипольным моментом -- 1,87 Дебая.

Рисунок 5. Образование молекулы воды

Как видно на рис. 5, у одного атома кислорода и двух атомов водорода (а) появляются общие электроны, образующие прочную ковалентную связь (б).

2. Аномальные свойства воды

Исследуя воду и, особенно ее водные растворы, ученые раз за разом убеждались, что вода обладает ненормальными -- аномальными свойствами, присущими только ей.

1. Первое аномальное свойство - это повышенная температура плавления и кипения.

Вещества - аналоги воды, молекулы которых по химическому составу похожи на воду, при комнатной температуре находятся в газообразном состоянии. Казалось бы, вода, сохрани она такие же свойства, должна бы закипать при температуре -70°С, а превращаться в лед при -90°С.

Таблица 1 - Тпл. и Tкип. воды, гидрида серы, гидрид селена и гидрида теллура

2. Для всей биосферы исключительно важной особенностью воды является ее способность при замерзании увеличивать, а не уменьшать свой объем, т.е. уменьшать плотность.

В жидкой воде молекулы воды связаны друг с другом водородными связями, возникающими между водородом одной молекулы воды и кислородом другой молекулы (рис. 6).

Рисунок 6. Кристаллическая структура воды

При температурах близких к 0°С, действие водородных связей приводит к значительной упорядоченности в расположении молекул воды. Уже в жидкости возникает подобие тетраэдрической структуры, а в твердом состоянии получает полное развитие. Действительно, при переходе любой жидкости в твердое состояние молекулы располагаются теснее, а само вещество, уменьшаясь в объеме, становится плотнее.

Рисунок 7. Температурная зависимость замерзания воды

Вода же при охлаждении сначала ведет себя, как и другие жидкости: постепенно уплотняясь, уменьшает свой объем (до +3,98°С). Затем, при дальнейшем снижении температуры до 0°С, вся вода замерзает и расширяется в объеме (рис. 7).

В результате удельный вес льда становится меньше воды и лед плавает.

Надежным экспериментальным методом получения данных о структуре и динамике кристаллической решетки твердых тел в условиях таких внешних воздействий, как давление и температура, является рентгенофазовый анализ.

Области фазовой диаграммы (рис. 8), ограниченные кривыми, соответствуют тем условиям (температурам и давлениям), при которых устойчива только одна фаза вещества.

Кривые фазовой диаграммы соответствуют условиям, при которых какие-либо две фазы находятся в равновесии друг с другом. Например, при температурах и давлениях, соответствующих точкам кривой ТС, вода и ее пар находятся в равновесии.

Кривая AT является кривой давления пара льда; такую кривую обычно называют кривой сублимации.

Кривая ВТ представляет собой кривую плавления. Она показывает, как давление влияет на температуру плавления льда: если давление возрастает, температура плавления немного уменьшается. Такая зависимость температуры плавления от давления встречается редко. Обычно возрастание давления благоприятствует образованию твердого вещества, как мы убедимся на примере рассматриваемой далее фазовой диаграммы диоксида углерода. В случае воды повышение давления приводит к разрушению водородных связей, которые в кристалле льда связывают между собой молекулы воды, заставляя их образовывать громоздкую структуру. В результате разрушения водородных связей происходит образование более плотной жидкой фазы).

Рисунок 8. Температурная зависимость замерзания воды

В точке У на кривой ВТ лед находится в равновесии с водой при температуре 273 К (О 0C) и давлении 1 атм. Она представляет собой точку замерзания воды при давлении 1 атм.

Кривая ST указывает давление пара воды при температурах ниже ее точки замерзания. Поскольку вода в нормальных условиях не существует в виде жидкости при температурах ниже ее точки замерзания, каждая точка на этой кривой соответствует воде, находящейся в метастабилъном состоянии. Это означает, что при соответствующих температуре и давлении вода находится не в своем наиболее устойчивом (стабильном) состоянии. Явление, которое соответствует существованию воды в метастабильном состоянии, описываемом точками этой кривой, называется переохлаждением.

На фазовой диаграмме имеются две точки, представляющие особый интерес. Прежде всего отметим, что кривая давления пара воды заканчивается точкой С. Она называется критической точкой воды. При температурах и давлениях выше этой точки пары воды не могут быть превращены в жидкую воду никаким повышением давления. Другими словами, выше этой точки паровая и жидкая формы воды перестают быть различимыми. Критическая температура воды равна 647 К, а критическое давление составляет 220 атм.

Точка Г фазовой диаграммы называется тройной точкой. В этой точке лед, жидкая вода и пары воды находятся в равновесии друг с другом. Этой точке соответствуют температура 273,16 К и давление 6,03 * 1000 атм. Лишь при указанных значениях температуры и давления все три фазы воды могут существовать вместе, находясь в равновесии друг с другом.

Иней может образовываться двумя способами: из росы либо непосредственно из влажного воздуха.

Образование инея из росы. Роса-это вода, образующаяся при охлаждении влажного воздуха, когда его температура понижается, пересекая (при атмосферном давлении) кривую TC. Иней образуется в результате замерзания росы, когда температура понижается настолько, что пересекает кривую ВТ.

Образование инея непосредственно из влажного воздуха. Иней образуется из росы только в том случае, если давление пара воды превышает давление тройной точки Г, т.е. больше 6,03-10~3 атм. Если же давление паров воды меньше этого значения, иней образуется непосредственно из влажного воздуха, без предварительного образования росы. В таком случае он появляется, когда понижающаяся температура пересекает кривую AT. В этих условиях образуется сухой иней.

3. Еще одно аномальное свойство воды - ее температура испарения. Это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить количество жидкости с единичной массой в пар без изменения температуры.

Рисунок 9. Зависимость удельной температуры парообразования воды от температуры

Скрытая теплота испарения есть мера количества тепловой энергии, которую необходимо сообщить жидкости для ее перехода в пар, т. е. для преодоления сил молекулярного сцепления в жидкости. Испарение воды требует довольно значительных количеств энергии. Это объясняется существованием водородных связей между ее молекулами. Именно в силу этого температура кипения воды -- вещества со столь малыми молекулами -- необычно высока.

4. Все термодинамические свойства воды заметно или резко отличаются от других веществ. Наиболее важная из них - удельная теплоемкость - количество тепла, необходимое для повышения температуры на 1°С:

вода молекула аномальный атом

где

c -- удельная теплоёмкость,

Q -- количество теплоты, полученное веществом при нагреве

m -- масса нагреваемого вещества

ДT -- разность конечной и начальной температур вещества

Аномально высокая теплоемкость воды делает моря и океаны гигантским регулятором температуры нашей планеты, в результате чего не происходит резкого перепада температур зимой и летом, днем и ночью.

При нагревании любого вещества теплоемкость неизменно повышается. Для любого вещества, но не для воды. Вода - исключение: с повышением температуры изменение теплоемкости воды аномально: от 0 до 37°С она понижается и только от 37 до 100°С теплоемкость все время растет (рис. 10).

Рисунок 10. Температурная зависимость удельной теплоемкости воды

5. Вода вообще и морская вода, в частности, обладает некоторой сжимаемостью. Сжимаемость -- свойство вещества изменять свой объём под действием всестороннего равномерного внешнего давления. Сжимаемость характеризуется коэффициентом сжимаемости, который определяется формулой

где

V -- это объём вещества,

p -- давление; знак минус указывает на уменьшение объёма с повышением давления

Коэффициент сжимаемости находится в зависимости и от величины давления, и от температуры.

Коэффициент сжимаемости дистиллированной воды выражается величиной 0,0000490; для морской воды он разный при различных соленостях, именно с увеличением солености он уменьшается; так при солености 35‰ коэффициент сжимаемости равен 0,0000442.

Вследствие сжимаемости морской воды некоторый объем ее при том же химическом составе и при той же температуре будет иметь на разных глубинах различную плотность, тем большую, чем значительнее глубина.

Таким образом, при изучении распределения плотностей на глубинах в океане необходимо принимать во внимание сжимаемость морской воды; распределение же плотностей на глубинах имеет значение для возникновения течений.

6. Общеизвестна исключительная способность воды растворять любые вещества.

И здесь вода демонстрирует необычные для жидкости особенности. Это связано с тем, что ее диэлектрическая постоянная (или диэлектрическая проницаемость) очень велика и составляет 81, в то время как для других жидкостей она не превышает 10.

В соответствии с законом Кулона сила взаимодействия двух заряженных частиц в воде будет в 81 раз меньше, чем, например, в вакууме, где эта характеристика равна единице. В этом случае прочность внутримолекулярных связей уменьшается в 81 раз и под действием теплового движения молекулы вещества в воде диссоциируют с образованием ионов. Необходимо отметить, что из-за исключительной способности растворять все вещества вода никогда не бывает идеально чистой.

7. Следует упомянуть еще об одном удивительном свойстве воды - исключительно высоком поверхностном натяжении. Это проявляется в том, что вода всегда стремиться сократить свою поверхность.

Некомпенсированные межмолекулярные силы наружного (поверхностного) слоя воды, вызванные квантово-механическими причинами, создают внешнюю упругую пленку. Благодаря пленке многие предметы, будучи тяжелее воды, не погружаются в воду.

Поверхностное натяжение и смачивание являются основой особого свойства воды и водных растворов, названного капиллярностью. Капиллярность имеет огромное значение для жизни растительного, животного мира, формирования структур природных минералов и плодородия земли. В каналах, которые во много раз уже человеческого волоса, вода приобретает удивительные свойства. Она становится более вязкой, уплотняется в 1,5 раза. Причиной сверханомальности капиллярной воды являются межмолекулярные взаимодействия.

Заключение

«Все начинается с воды», - учил великий древнегреческий провидец Фалес Милетский. Действительно, ведь при отсутствии даже одного из аномальных свойств воды возникновение жизни и ее существование невозможно

Вода обладает рядом необычных - аномальных - свойств, которые не подчиняются законам физики и химии и благодаря которым возникла и существует жизнь на Земле. Аномальность воды - такое же всеобщее свойство природы, как и материальное единство мира, как всеобщность действующих в нем сил. Вода эволюционирует. Эволюция воды во многом определяет эволюцию жизни и человеческого общества.

Список литературы

1. http://www.optimalna.ru

2. http://chem21.info/info/1452044/

3. http://tainy.net/27284-anomalna-voda.html

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Вода

5. Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона

6. Энциклопедический словарь юного химика. (В.А. Крицман, В.В. Станцо)

Размещено на Allbest.ru