строение воды как физического тела - гидрофизика
Содержание
Введение
1. Строение молекул воды
2. Структура воды в трех ее агрегатных состояниях
3. Разновидности воды
4. Аномальные свойства воды
5. Фазовые превращения и диаграмма состояния воды
6. Модели структуры воды и льда
7. Агрегатные виды льда
Заключение
Список литературы
Введение
Вода это самое важное вещество на Земле без которого не может существовать ни один живой организм и не могут протекать ни какие биологические, химические реакции, и технологические процессы.
Воды(оксид водорода) - это жидкость без запаха, вкуса и цвета (в толстых слоях голубоватая); Н2О, мол. м. 18,016, простейшее устойчивое соед. водорода с кислородом.
Вода является одним из самых распространенных в природе веществ. Она покрывает около 3/4 всеи земной поверхности, составляя основу океанов, морей, озер, рек, фунтовых вод и болот. Большое количество воды находится также в атмосфере. Растения и живые организмы содержат в своем составе 50-96 % воды.
Молекулы воды обнаружены в межзвездном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников. Кол-во воды на пов-сти Земли оценивается в 1,39*1018 т, большая часть ее содержится в морях и океанах. Кол-во доступных для использования пресных вод в реках, озерах, болотах и водохранилищах составляет 2*104 т. Масса ледников Антарктики, Антарктиды и высокогорных районов 2,4*1016т (общая масса распределенных по поверхности Земли снега и льда достигает примерно 2,5-3,0?1016т, что составляет всего лишь 0,0004% массы всей нашей планеты. Однако, такого количества достаточно, чтобы покрыть всю поверхность Земного шара 53 метровым слоем, а если бы вся эта масса вдруг растаяла, превратившись в воду, то уровень Мирового Океана поднялся бы по сравнению с нынешним примерно на 64 метра.), примерно столько же имеется подземных вод, причем только небольшая их часть - пресные. В атмосфере находится ок. 1,3*1013 т воды. Вода входит в состав многих минералов и горных пород (глина, гипс и др.), присутствует в почве, является обязательным компонентом всех живых организмов.
Плотность H2O = 1 г/см3 (при 3,98 градусах), tпл. = 0 градусов, а tкип = 100 градусов. Теплоемкость воды составляет 4,18 Дж/(г/К) Mr (H2O) = 18 и отвечает ее простейшей формуле. Однако молекулярная масса жидкой воды, определяемая путем изучения ее растворов в других растворителях оказывается более, высокой. Это свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т. е. соединение их в более сложные агрегаты. Вода - это единственное вещество в природе, которое в земных условиях существует во всех трёх агрегатных состояниях: Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы
От воды зависит климат. 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… без воды обойтись нельзя - это самое важное вещество на Земле.
Вода - вещество привычное 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".
1. Строение молекулы воды
Из всех распространенных жидкостей вода -- наиболее универсальный растворитель, жидкость с максимальными величинами поверхностного натяжения, диэлектрической постоянной, теплоты парообразования и наивысшей (после аммиака) теплотой плавления. В отличие от большинства веществ вода, замерзая при низком давлении, расширяется.
Эти специфические свойства воды связаны с особым строением ее молекулы. Химическая формула воды Н20 обманчиво проста. В молекуле воды ядра атомов водорода расположены несимметрично по отношению к ядру атома кислорода и электронам. Если атом кислорода находится в центре тетраэдра, центры масс двух атомов водорода будут в углах тетраэдра, а центры зарядов двух пар электронов займут два других угла (рис.1.1). Таким образом, четыре электрона располагаются на возможно наибольшем расстоянии как от ядра атома кислорода, так и от ядер атомов водорода, при котором они еще притягиваются ядром атома кислорода. Другие шесть электронов молекулы воды расположены так: четыре электрона находятся в положении, обеспечивающем химическую связь между ядрами атомов кислорода и водорода, а два других расположены вблизи ядра атома кислорода.
Ассиметричное расположение атомов молекулы воды обусловливает неравномерное распределение электрических зарядов в ней, что делает молекулу воды полярной. Такое строение молекулы воды обусловливает притяжение молекул воды друг к другу в результате образования между ними водородных связей. Расположение атомов водорода и кислорода, внутри образовавшихся агрегатов молекул воды сходно с расстановкой атомов кремния и кислорода в кварце. Это относится ко льду и в меньшей мере к жидкой воде, агрегаты молекул которой всегда находятся в стадии перераспределения. При охлаждении воды ее молекулы группируются в агрегаты, которые постепенно увеличиваются и становятся все более устойчивыми по мере приближения к температуре 4° С, когда вода достигает максимальной плотности. При этой температуре вода еще не имеет жесткой структуры и наряду с длинными цепочками ее молекул существует большое количество отдельных молекул воды. При дальнейшем охлаждении цепочки молекул воды растут за счет присоединения к ним свободных молекул, в результате чего плотность воды уменьшается. Когда вода превратится в лед, все ее молекулы входят в более или менее жесткую структуру в виде незамкнутых цепочек, образующих кристаллы.
Рис.1.1 Строение молекулы воды
Взаимное проникновение атомов водорода и кислорода. Ядра двух атомов водорода и две пары электронов находятся в углах тетраэдра: в центре расположено ядро атома кислорода.
Высокие величины поверхностного натяжения и теплоты парообразования воды объясняются тем, что для отделения молекулы воды от группы молекул требуется относительно большая затрата энергии. Стремление молекул воды устанавливать водородные связи и их полярность объясняют необычно высокую растворяющую способность воды. Некоторые соединения, такие, как сахара и спирты, удерживаются в растворе благодаря водородным связям. Соединения, обладающие высокой степенью ионизации вводе, например хлористый натрий, удерживаются в растворе вследствие того, что ионы с противоположными зарядами нейтрализуются группами ориентированных молекул воды.
Другая особенность молекулы воды состоит в том, что как атомы водорода, так и атомы кислорода могут иметь различные массы при одинаковом заряде ядра. Разновидности химического элемента с различными атомными весами называются изотопами этого элемента. Молекула воды обычно образуется водородом с атомным весом 1 (Н1) и кислородом с атомным весом 16 (О16). Более 99% атомов воды относится к этим изотопам. Кроме того, существуют следующие изотопы: Н2, H3, О14, О15, О17 О18, О19. Многие из них скапливаются в воде в результате ее частичного испарения и вследствие своей большой массы. Изотопы Н3, О14, О15, О19 радиоактивны. Наиболее распространен из них тритий Н3, образующийся в верхних слоях атмосферы под воздействием космических лучей. Этот изотоп накопился также в результате ядерных взрывов за последние несколько лет. На основании этих и других фактов относительно изотопов путем анализа изотопного состава воды можно частично раскрыть историю некоторых природных вод. Так, содержание тяжелых изотопов в поверхностных водах свидетельствует о длительном испарении воды, которое происходит, например, в Мертвом море, Большом Соленом озере и в других бессточных водоемах. Повышенное содержание трития в подземных водах могло бы означать, что эти воды метеорного происхождения с большой скоростью циркуляции, потому что период полураспада этого изотопа всего лишь 12,4 лет. К сожалению, изотопный анализ слишком дорог и по этой причине не может быть широко применен в исследованиях природных вод
Молекула воды H2О построена в виде треугольника: угол между двумя связками кислород - водород 104 градуса. Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону от кислорода, электрические заряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды полярная, что является причиной особого взаимодействия между разными её молекулами.
Атомы водорода в молекуле H2О, имея положительный частичный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул. Такая химическая связь называется водородной. Она объединяет молекулы H2О в своеобразные полимеры пространственного строения; плоскость, в которой расположены водородные связи, перпендикулярны плоскости атомов той же молекулы H2О. Взаимодействием между молекулами воды и объясняются в первую очередь незакономерно высокие температуры её плавления и кипения. Нужно подвести дополнительную энергию, чтобы расшатать, а затем разрушить водородные связи. И энергия эта очень значительна. Вот почему так велика теплоёмкость воды.
Как и большинство веществ, вода состоит из молекул, а последние из атомов.
Структура атома следующая: вокруг положительно заряженного протонного ядра на определенных уровнях по различным орбитам движутся отрицательно заряженные электроны, образующие электронное облако. Число электронов в каждой оболочке для атома каждого элемента строго определенное. Так, у атома водорода лишь одна оболочка с единственным электроном, а у атома кислорода две оболочки: внутренняя с двумя электронами и внешняя с шестью.
Два атома водорода замещают вакансию двух недостающих (до восьми) электронов наружной оболочки для ее устойчивости. Можно было бы предполагать, что атом кислорода и два атома водорода в молекуле воды образуют у центрального атома кислорода угол, близкий к 180°. Однако в действительности он значительно меньше - всего 104° 27' (рис.1.2), что приводит к неполной компенсации внутримолекулярных сил, избыток которых обусловливает асимметрию распределения зарядов, создающую полярность молекулы воды. Эта полярность у воды, более значительная, чем у других веществ, обусловливает ее дипольный момент и диэлектрическую проницаемость. Последняя у воды весьма велика и определяет интенсивность растворения водой различных веществ. При 0 °С диэлектрическая проницаемость воды (в твердой фазе) составляет 74,6; с повышением температуры она падает.
Так, при 20° С диэлектрическая проницаемость воды равна 81. Что это значит? Это значит, что два противоположных электрических заряда в воде взаимно притягиваются с силой, равной ~ 1/80 их взаимодействия в воздухе, и что отделение ионов от кристаллов какой-либо соли в воде в 80 раз легче, чем в воздухе.
Многочисленные схемы строения молекулы воды являются гипотетическими, построенными на косвенных наблюдениях приборами некоторых признаков поведения и свойств молекул и атомов. При этом следует помнить, что ни атомы, ни молекулы не имеют четких границ из-за неопределенности как формы, так и точных размеров орбит, по которым движутся электроны, образующие по сути дела электронное облако, зависящее от энергетического состояния электрона. Последнее может быть спокойным или возбужденным, что зависит, в частности, и от температуры. Отсюда разнобой в значениях вычисленных радиусов, а также схематичность гипотетических моделей атомов и молекул.
2. Структура воды в трех ее агрегатных состояниях
Проблема оценки структуры воды пока остается одной из самых сложных. Рассмотрим кратко две обобщенные гипотезы о структуре воды, получившие наибольшее признание, одна -- в начальный период развития учения о структуре воды, другая -- в настоящее время.
Согласно гипотезе, предложенной Уайтингом (1883г.) и имеющей к настоящему времени различные интерпретации, основной строительной единицей водяного пара является молекула H2O, называемая гидроль, или моногидроль. Основной строительной единицей воды является двойная молекула воды (H2O)2--дигидроль; лед же состоит из тройных молекул (H2O)3 -- тригидроль. На этих представлениях основана так называемая гидрольная теория структуры воды.
Водяной пар, согласно этой теории, состоит из собрания простейших молекул моногидроля и их ассоциаций, а также из незначительного количества молекул дигидроля.
Вода в жидком виде представляет собой смесь молекул моногидроля, дигидроля и тригидроля. Соотношение числа этих молекул в воде различно и зависит от температуры. Согласно этой гипотезе, соотношение количества молекул воды и объясняет одну из основных ее аномалий -- наибольшую плотность воды при 4°С.
В табл.1.1 показан молекулярный состав воды, льда и водяного пара по различным литературным источникам.
Так как молекула воды несимметрична, то центры тяжести положительных и отрицательных зарядов ее не совпадают. Молекулы имеют два полюса -- положительный и отрицательный, создающие, как магнит, молекулярные силовые поля. Такие молекулы называют полярными, или диполями, а количественную характеристику полярности определяют электрическим моментом диполя, выражаемым произведением расстояния l между электрическими центрами тяжести положительных и отрицательных зарядов молекулы на заряд e в абсолютных электростатических единицах:
Для воды дипольный момент очень высокий: p = 6,13·10-29 Кл·м. Полярностью молекул моногидроля и объясняется образование дигидроля и тригидроля. Вместе с тем, так как собственные скорости молекул возрастают с повышением температуры, этим можно объяснить постепенный распад тригидроля в дигидроль и далее в моногидроль соответственно при таянии льда, нагревании и кипении воды.
Другая гипотеза строения воды, разрабатывавшаяся в XX веке (модели О.Я.Самойлова, Дж.Попла, Г.Н.Зацепиной и др.), основана на представлении, что лед, вода и водяной пар состоят из молекул H2O, объединенных в группы с помощью так называемых водородных связей (Дж.Бернал и Р.Фаулер, 1933г.). Эти связи возникают в результате взаимодействия атомов водорода одной молекулы с атомом кислорода соседней молекулы (с сильно электроотрицательным элементом). Такая особенность водородного обмена в молекуле воды обусловливается тем, что, отдавая свой единственный электрон на образование ковалентной связи с кислородом (см. рис.1.3), он остается в виде ядра, почти лишенного электронной оболочки. Поэтому атом водорода не испытывает отталкивания от электронной оболочки кислорода соседней молекулы воды, а, наоборот, притягивается ею, и может вступить с нею во взаимодействие. Согласно изложенному, можно предположить, что силы, образующие водородную связь, являются чисто электростатическими. Однако, согласно методу молекулярных орбиталей, водородная связь образуется за счет дисперсионных сил, ковалентной связи и электростатического взаимодействия.
Таблица 1.1Молекулярный состав льда, воды и водяного пара, %
|
Молекула | Лед | Вода | Пар | |
| Температура, °С | |
| 0 | 0 | 4 | 38 | 98 | 100 | |
Моногидроль [H2O] | 0 | 19 | 20 | 29 | 36 | >99,5 | |
Дигидроль [(H2O)2] | 41 | 58 | 59 | 50 | 51 | <0,5 | |
Тригидроль [(H2O)3] | 59 | 23 | 21 | 21 | 13 | 0 | |
|
Таким образом, в результате взаимодействия атомов водорода одной молекулы воды с отрицательными зарядами кислорода другой молекулы образуются четыре водородные связи для каждой молекулы воды. При этом молекулы, как правило, объединяются в группы -- ассоциаты: каждая молекула оказывается окруженной четырьмя другими (рис. 1.3). Такая плотная упаковка молекул характерна для воды в замерзшем состоянии (лед Ih) и приводит к открытой кристаллической структуре, принадлежащей к гексогональной симметрии. При этой структуре образуются «пустоты -- каналы» между фиксированными молекулами, поэтому плотность льда меньше плотности воды.
Повышение температуры льда до его плавления и выше приводит к разрыву водородных связей. При жидком состоянии воды достаточно даже обычных тепловых движений молекул, чтобы эти связи разрушить.
Рис.2 Схема взаимодействия молекул воды
1 -- кислород, 2 -- водород, 3 -- химическая связь, 4 -- водородная связь.
Считается, что при повышении температуры воды до 4°С упорядоченность расположения молекул по кристаллическому типу с характерной структурой для льда до некоторой степени сохраняется. Имеющиеся в этой структуре отмеченные выше пустоты заполняются освободившимися молекулами воды. Вследствие этого плотность жидкости увеличивается до максимальной при температуре 3,98°С. Дальнейший рост температуры приводит к искажению и разрыву водородных связей, а, следовательно, и разрушению групп молекул, вплоть до отдельных молекул, что характерно для пара.
3. Разновидности воды
На Земле содержится около 1500 млн. км3 воды. Причем доля пресной воды составляет всего 10% от общего количества. А если учесть то факт, что большая часть пресной воды содержится не на поверхности земли, а в земной коре, можно сделать вывод о том, что доля относительно доступной пресной воды очень и очень ограничена. В зависимости от типа залегания, свойств и химического состава вся вода на Земле подразделяется на множество видов:
- соленая вода - безусловно, главным хранилищем соленой воды на Земле является Мировой океан. Мировой океан поистине огромен, если говорить языком цифр, то Мировой океан - это: 97% всей воды на планете; 74% всей площади Земли и около 1,35 млрд. км3 объема;
Ионные вещества, содержащиеся в морской воде в концентрации выше 0,001 г/кг (1 млн.д.) по весу:
Вещество - Содержание, г/кг морской воды
Хлорид-ион C1- - 19,35
Ион натрия Na + - 10,76
Сульфат-ион SO4 2- - 2,71
Ион магния Mg2 + - 1,29
Ион кальция Са2 + - 0,412
Ион калия К + - 0,40
Диоксид углерода - 0,106
Бромид-ион Вr- - 0,067
Борная кислота - 0,027
Ион стронция Sr2 + - 0,0079
Фторид-ион F- - 0,001
Морскую воду часто называют соленой. Под соленостью морской воды понимают массу (в граммах) сухих солей в 1 кг морской воды. В пределах мирового океана соленость колеблется от 33 до 37, в среднем ее можно считать равной 35. Это означает, что в морской воде содержится приблизительно 3,5% растворенных солей. Перечень элементов, содержащихся в морской воде, очень велик, однако концентрация большинства из них очень низка. В таблице указаны 11 ионных частиц, присутствующих в морской воде в концентрациях, превышающих 0,001 г/кг, т.е. 1 миллионную долю (млн. д.) по весу. Среди веществ, содержащихся в морской воде в несколько меньших, концентрациях (от 1 млн. д. до 0,01 млн. д.), имеются элементы азот, литий, рубидий, фосфор, йод, железо, цинк и молибден. В морской воде обнаружено не менее 50 других элементов в еще более низких концентрациях;
- пресная вода - пресная вода распределяется на Земле следующим образом: около 2% всей пресной воды сосредоточено в ледниках и полярных льдах; около 7% пресной воды находится в озерах и реках и около 0,5% в грунтовых водах;
Пресная воды в свою очередь делится на следующие виды:
- дистиллированная вода - так называют воду, химический показатель которой близок к чистому Н2О. Природной дистиллированной воды не существует, она производится в специальных дистилляторах методом выпаривания пресной воды с последующей конденсацией. Используется она в основном для медицинских или исследовательских целей. Ее производят в специальных дистилляторах путем выпаривания обычной пресной воды с последующей конденсацией пара - дистилляцией. При этом все присутствующие в воде примеси остаются в выпаренном остатке. Этот процесс основан на принципе, что вода представляет собой летучее вещество, а соли являются нелетучими веществами. Также поступают с морской водой, чтобы избавить ее от солей и минеральных включений. В тропических зонах солнечным теплом нагревают воду в мелких лотках (парниковый эффект), после чего происходит конденсация водяного пара. Идеальное место для размещения подобных установок--прибрежные тропические районы, соседствующие с засушливыми землями, которым предельно необходима вода. Конструкция опреснительных установок должна быть хорошо продумана, с тем чтобы в ней предусматривалось вторичное использование тепла, выделяющегося при конденсации паров. Стоимость опреснения морской воды по методу дистилляции не превышает 1 доллара за 4000 л;
- минеральная вода - так называют воду с повышенным содержанием минеральных компонентов. Минеральная вода образуется в результате обогащения подземных вод целебными минералами. Существует несколько видов минеральных вод: лечебно-столовые (минерализация 2-6 г/л), столовые (минерализация 1-2 г/л) и лечебные (минерализация от 6 г/л);
- искусственная вода - так обозначаются пресные воды, изготовленные с помощью технологических методов с целью имитации химического состава природных минеральных или других вод. Искусственные минеральные воды получают добавлением в обычную или дистиллированную воду химических компонентов (солей магния, калия, натрия, иода и др.), присутствующих в натуральных минеральных водах в таких же процентных концентрациях. Примером таких вод служат искусственно минерализованные воды известных производителей “Боржоми”, ”Нарзан” и ”Ессентуки” с тем отличием, что на бутылках стоит надпись “Искусственно минерализованная вода”. Опресненную морскую воду, которую в широких масштабах производят Арабские Эмираты, богатые нефтью, но бедные пресной водой, тоже можно считать искусственной, как и тяжелую воду, получаемую для исследований в области ядерной физики;
- "Живая" и "Мертвая вода" - так называют воду, произведенную с помощью электролиза обычной воды. "Живая" и "Мертвая" воды обладают рядом полезных свойств, помогающих бороться с различными болезнями;
- колодезные воды - так называются подпочвенные воды, которые извлекаются на поверхность с помощью колодцев. В принципе, сюда же можно отнести и воду из артезианских скважин, с той лишь разницей, что вода из артезианских скважин добывается из гораздо более глубоких слоев почв, чем колодезная. Они очень уязвимы с точки зрения загрязнений: все, что попадает в почву -- нитраты, нитриты, ПАВ, пестициды и тяжелые металлы, -- может оказаться в колодезной воде;
- вода из артезианских источников - это воды глубокого залегания, которые лучше защищены от различных промышленных и бактериальных загрязнений. Для бурения используются специальные установки, затем в скважину опускают стальные трубы, погружают мощный насос, через который выводится на поверхность трубопровод. Существуют два водоносных горизонта: песчаный залегает на глубине 15-- 40 м и отделен от верхнего слоя почвы глинистыми пластами, которые и защищают его от загрязнений, а на глубине 30--230 м и более находятся известняковые водоносные слои, так называемые артезианские. Состав артезианских вод зависит от глубины их залегания. Такая вода может иметь повышенную жесткость и содержать бактерии и органические вещества. Кроме того, из-за плохого соединения труб в скважинах в артезианскую воду могут просачиваться загрязнения из более высоких водоносных слоев. Обычно эту воду необходимо фильтровать и очищать, что осуществляется с помощью очистных систем промышленного и бытового назначения;
- родниковая вода - родником или ключом обозначается небольшой водный поток, бьющий непосредственно из земных недр. Некоторые российские реки и водоёмы порождаются именно такими подземными источниками. Родниковая вода берется в том самом месте, откуда она поступает из-под земли. Вода может быть пресной или минерализованной. В первом случае мы говорим о родниках и ключах, а во втором -- об источнике минеральных вод;
- геотермальная - так называют воду, выделяющуюся из недр Земли с температурой выше 20°С. В большинстве случаев они имеют температуру от 40 до 100°С. Наибольшая температура поступающей к земной поверхности геотермальной воды может достигать 300°С, а температура пара доходить до 600°С; геотермальные воды с температурой 20--40°С используют для лечебных целей, а с температурой 40--60°С -- для выращивания растений в парниках;
- сточные воды - подразделяются на два вида: первые поступают из городских квартир, вторые - с различных промышленных предприятий. Несмотря на постоянно совершенствующиеся способы очистки, повторное применение сточных вод на сегодняшний день не представляется возможным.
Разновидности воды отличаются сочетанием образующих их изотопов водорода и кислорода, которых (естественных) известно по три каждого
Изотопы водорода: легкий, тяжелый и сверхтяжелый. Легкий -- протий (ядро - один протон) составляет большую часть водорода обычной воды. Тяжелый (D) -- дейтерий (ядро -- протон и нейтрон). Его в обычной воде мало. Сверхтяжелый (Т) -- тритий (ядро -- протон и два нейтрона). Его вообще очень мало. Тритий радиоактивен, период полураспада больше 12 лет. Он непрерывно образуется в стратосфере под действием космического излучения. Трития на всем земном шаре меньше одного килограмма, но его можно обнаружить в любой капле воды. Предполагают, что может существовать и четвертый, и пятый изотоп водорода.
Строение трех изотопов водорода очень напоминает строение одной, двух и трех элементной вибраторной антенны. Протий - это, скорее всего, антенна, состоящая из одного активного вибратора, дейтерий, возможно, антенна, состоящая из одного активного и одного пассивного вибратора, который в антенной технике называют экраном и располагают позади активного. Тритий, возможно, активный вибратор с двумя пассивными, один из них служит экраном, а второй - директором и располагается впереди активного вибратора. Масса активного и пассивного вибратора практически одинакова, что справед
