Фізичні та хімічні властивості води, її аномалії

1.2 Фізичні та хімічні властивості води, її аномалії.

В періодичній системі елементів Д. І. Мєндєлєєва кисень утворює окрему підгрупу. Вона так і називається: підгрупа кисню.

Її складові кисень, сірка, селен і телур мають багато спільного у фізичних та хімічних властивостях. Спільність властивостей простежується, як правило, і для однотипних сполук, утворюваних членами підгрупи.

Але для води характерно відхилення від правил.

Із самих легких сполук підгрупи кисню ( а ними являються гідриди) вода – найлегша.[15]

Густина води при її переході з твердого стану в рідкий не зменшується, а збільшується. При нагріванні води від 0 до 4⁰С густина її також збільшується. При 4⁰С вода має максимальну густину і лише при подальшому її нагріванні зменшується з підвищенням температури.

Велике значення в житті природи має і той факт, що вода володіє високою теплоємкістю [4,18 Дж/ (г • К)]. Тому в нічний час, а також при переході від літа до зими вода охолоджується повільно, а вдень, чи при переході від зими до літа, так само повільно нагрівається, що є, таким чином, регулятором температури на Земній кулі. [3]

Розглянемо найбільш велику аномалію води – температурна поведінка її теплоємність. Велика теплоємкості, як відомо, показує, скільки треба затратити тепла, щоб підняти температуру речовини на один градус. Теплоємність рідини після плавлення кристалу збільшується незначно – не більше 10%. Інша справа вода. При плавленні льоду теплоємність стрибає від 0 до 18 кал/моль, тобто в два рази! Такого великого стрибку теплоємності при плавленні не спостерігається ні в одної іншої речовини: тут вода абсолютний рекордсмен. Стрибок теплоємності після плавлення означає, що у воді відкриваються якісь нові процеси, на які затрачується, підбите тепло і яке обумовлюється появою надмірної теплоємкості. Така надмірна теплоємкість існує в усьому діапазоні температур, при яких вода знаходиться в рідкому стані.[11]

Ось ще приклад теплоємності води: незвичайна температурна поведінка її стискування, тобто ступінь її зменшення об’єму при збільшенні тиску. Звичайно стискування рідини росте з температурою: при високих температурах рідина більш пухка і її легше стиснути. Вода виявляє таку нормальну поведінку тільки при високих температурах. При низьких же її стискування веде себе протилежним чином, в результаті чого в її температурній поведінці з’являється мінімум при 45⁰С.

Вода має таку властивість як „змочування”. При вивченні цього явища встановили, що всі речовини, які легко змочуються водою (глина, пісок, скло, папір та ін.) обов’язково мають у своєму складі атоми кисню. Для пояснення природи змочування, цей факт виявився ключовим: енергетично неврів новажені молекули поверхневого шару отримують можливість утворювати додаткові водневі зв’язки з «чужими» атомами кисню.[10]

Дякуючи поверхневому натягу та властивості до змочування, вода може підніматись у вузьких вертикальних каналах на висоту більшу ніж та, яка допускається силою тяжіння, тобто вода має властивість капілярності.

Капілярність відіграє важливу роль у багатьох природних процесах, які виникають на Землі. Дякуючи цьому вода змочує товщу ґрунту, що лежить значно вище дзеркала ґрунтових вод і надає кореням рослин розчини поживних речовин. Капілярністю обумовлюється рух крові та тканинних рідин в живих організмах.

Найвищими виявляються у води саме ті характеристики, котрі повинні були б бути найвищими: температура кипіння та замерзання, теплота пароутворення та плавлення.

Вважали, що вода повинна кипіти при 70⁰С та замерзати при – 90⁰С. В такому випадку в земних умовах. В таких умовах вона ніколи не існувала б ні в твердому, ні в рідкому станах.

Можливим був би тільки газоподібний стан. Але на графіку залежності температур несподівано різкий підйом – температура кипіння води + 100⁰С, замерзання – 0⁰С. Це наглядна перевага асоціативності – широкий температурний інтервал існування, можливість здійснити всі фазові стани в умовах нашої планети. Асоціативність води відбивається і на дуже високій питомій теплоємності її пароутворення. Щоб випарувати воду, вже нагріту до 100⁰С, потребує вшестеро більше кількості теплоти, чим для нагріву цієї ж маси води на 80⁰С (від 20⁰С до 100⁰С).

Кожну хвилину мільйон тонн води гідросфери випаровується від сонячного нагріву. В результаті в атмосферу постійно потрапляє колосальна кількість теплоти, еквівалентне тому, яке б вироблялося 40 тисячами електростанцій потужністю 1 млрд кіловатт кожна.[16]

При плавленні льоду немало енергії йде на подолання асоціативних зв’язків льодяних кристалів, хоч і вшестеро менші, чим при випаровуванні води. Молекули Н₂О фактично залишаються в тому ж середовищі, змінюється лише фазовий стан води.

На багатьох металургійних заводах Донбаса в якості охолоджувача використовують не холодну воду, а кип’яток. Охолодження йде за рахунок теплоти пароутворення – ефективність процесу підвищується в декілька разів, до того ж відпадає потреба в спорудженні громіздких градирен. Звичайно, кип’яток як охолоджувач використовується там, де потрібно охолоджувати об’єкти, нагріті вище 100⁰С.

Широке застосування води в якості охолоджувача пояснюється не тільки і не стільки в її доступності та дешевизною. Справжню причину треба шукати також і в фізичних особливостях. Виявляється, вода володіє ще однією чудовою здібністю – високою теплоємністю. Поглинаючи велику кількість теплоти, сама вода суттєво не нагрівається. Питома теплоємність води в п’ять разів вище, чим у піску, і майже в десять разів вище, ніж у заліза.

Здібність води накопичувати більші запаси теплової енергії дозволяє згладжувати різні температурні коливання на земній поверхні в різні пори року та в різний час доби. Дякуючи цьому вода є основним регулятором теплового режиму нашої планети.

Теплоємність води аномальна не тільки по своєму значенню. Питома теплоємність різна при різних температурах, причому характер температурної зміни питомої теплоємності своєрідний: вона знижується по мірі збільшення температури в інтервалі від 0 до 37⁰С, а при подальшому збільшенні температури – збільшується. Мінімальним значенням питомої теплоємності води виявлено при температурі 36,79⁰С. Виявилось, що при цій температурі здійснюється і мікрофазові перетворення в системі «рідина – кристал», тобто «вода – лід». Встановлено, що при змінені температури від 0 до 100⁰С вода послідовно проходить п’ять таких перетворень. Їх назвали мікрофазовими, так як протяжність кристалів мікроскопічна, не більш 0,2-0,3 нм. Температурні межі переходів – 0, 15, 30, 45, 60 та 100⁰С.[13]

Поглиблене вивчення фізичного значення та напрямку практичного застосування даного явища ще чекають своїх досліджень. Але вже й тепер зрозуміло, що ці відкриття представляють дуже цікавий та цінний пізнавальний матеріал.[14]

Молекули води відрізняються великою стійкістю до нагрівання. Проте при температурах вище 1000⁰С водяна пара починає розкладатися на водень та кисень:

2Н₂О 2Н₂ + О₂

Процес розкладу речовини в результаті його нагрівання називається термічною дисоціацією. Термічна дисоціація води протікає з поглинанням теплоти. Тому, чим вище температура, тим в більшому ступені розкладається вода.

Вода – дуже реакційна сполука. Оксиди багатьох металів та неметалів з’єднуються з водою, утворюючи основи та кислоти:

Н₂О + Na₂O = 2NaOH

H₂O + SO₂ = H₂SO₃

деякі солі утворюють з водою кристалогідрати:

H₂O + H₂SO₄ = H₂SO₄ · H₂O

10H₂O + Na₂CO₃ = Na₂CO₃ · 10H₂O

H₂O + NaOH = NaOH · H₂O

5H₂O + CuSO₄ = CuSO₄ · 5H₂O;

 найбільш активні метали взаємодіють з водою з виділенням водню:

2H₂O + Li = 2LiOH + H₂

2H₂O + Ca = Ca(OH)₂ + H₂ .

 Вода здатна утворювати сполуки з рядом речовин, що знаходяться при звичайних умовах в газоподібному стані та не володіючих великою хімічною активністю. Прикладом можуть слугувати гідрати Хе · 6Н₂О,

СН₄ · 6Н₂О, С₂Н₅Сl · 15Н₂О. Такі сполуки утворюються в результаті заповнення молекулами газу міжмолекулярних порожнин, що є в структурі води, і називаються сполуками включення, чи клатратами. Клатрати – нестійкі сполуки і можуть існувати при порівняно низьких температурах.

До важливих хімічних властивостей води належить її здатність вступати в реакції гідролітичного розкладу:

СН₃СОО ^-- + Н₂О СН₃СООН + ОН^- .

Питна вода, що подається централізованими системами водозабезпечення, повинна відповідати гігієнічним вимогам Держстандарту. За даними Держстандарту питна вода має такі гігієнічні вимоги:

-           вода повинна бути безпечна в епідемічному відношенні, нешкідлива по хімічному склад ти мати благополучні органолептичні властивості;

-           вода не повинна перевищувати допустимий вміст мікроорганізмів та бактерій;

-           концентрація хімічних речовин, що зустрычаються в природних водах чи

доданих до води в процесі її обробки, не повинна перевищувати

нормативів;

-           вода не повинна мати водні організми та поверхневу плівку.

Питна вода м. Херсону та Херсонської області не зовсім відповідає вимогам Держстандарту -2874-82 „ Вода питна”. Вона має значно більшу мінералізацію, твердість, погіршені смакові якості, у деяких районах вода має запах нафти.

Похожие работы

Технологія виробництва маринованих огірків

Скачать

29347

4

2

... проходження в м’якоті плоду крупних судин. За ступенем вираженості цих зовнішніх морфологічних ознак можна майже безпомилково судити про густину м’якоті плоду. 3 Аналіз технології виробництва маринованих огірків Промисловість випускає огірки двох видів: огірки консервовані (маринади) і огірки солоні. Огірки консервовані є широко поширеним різновидом слабокислих пастеризованих маринадів. ...