Архів якісних рефератів

Знайти реферат за назвою:         Розширений пошук

Меню сайту

Головна сторінка » Хімія

Вода. Важка вода (реферат)

Вода в природі

Вода — вельми поширена на Землі речовина. Майже 3/4 поверхні земної кулі покриті водою, створюючою океани, моря, річки і озера. Багато води знаходиться в газоподібному стані у вигляді пари в атмосфері; у вигляді величезних мас снігу і льоду лежить вона круглий рік на вершинах високих гір і в полярних країнах. У надрах землі також знаходиться вода, що просочує грунт і гірські породи.

Природна вода не буває досконала чистою. Найчистішою є дощова вода, але і вона містить незначні кількості різних домішок, які захоплює з повітря.

Кількість домішок в прісних водах звичайно лежить в межах від 0,01 до 0,1% (мас.). Морська вода містить 3,5% (мас.) розчинених речовин, головну масу яких складає хлорид натрію (куховарська сіль).

Вода, що містить значну кількість солей кальцію і магнію, називається жорсткою на відміну від м'якої води, наприклад, дощовий. Жорстка вода дає мало піни з милом, а на стінках казанів утворює накип.

Щоб звільнити природну воду від зважених в ній частинок, її фільтрують крізь шар пористої речовини, наприклад, вугілля, обпаленої глини і т.п. При фільтруванні великої кількості води користуються фільтрами з піску і гравію. Фільтри затримують також велику частину бактерій. Крім того, для знезараження питної води її хлорують; для повної стерилізації води потрібно не більш 0,7 г хлори на 1 т води.

Фільтруванням можна видалити з води тільки нерозчинні домішки. Розчинені речовини видаляють з неї шляхом перегонки (дистиляції) або іонного обміну.

Вода має дуже велике значення в житті рослин, тваринних і людини. Згідно сучасним уявленням, саме походження життя зв'язується з морем. У всякому організмі вода є середовищем, в якій протікають хімічні процеси, що забезпечують життєдіяльність організму; крім того, вона сама бере участь в цілому ряду біохімічних реакцій.

Фізичні властивості води

Чиста вода є безбарвною прозорою рідиною. Густина води під час переходу її з твердого стану в рідке не зменшується, як майже у всіх інших речовин, а зростає. При нагріванні води від 0 до 4 °З густина її також збільшується. При 4 °З вода має максимальну густину, і лише при подальшому нагріванні її густина зменшується

Якби при пониженні температури і при переході з рідкого стану в твердий густина води змінювалася так само, як це відбувається у переважної більшості речовин, то при наближенні зими поверхневі шари природних вод охолоджувалися. до 0 °З і опускалися на дно, звільняючи місце теплішим шарам, і так продовжувалося б до тих пір, поки вся маса водоймища не придбала б температуру 0 °С. Далєє вода починала б замерзати, крижини, що утворюються, занурювалися б на дно і водоймище промерзав би на всю його глибину. При цьому багато форм життя у воді були б неможливі. Але оскільки найбільшу густину вода досягає при 4 °З, те переміщення її шарів, що викликається охолоджуванням, закінчується досягши цієї температури. При подальшому пониженні температури охолоджений шар, що володіє меншою густиною, залишається на поверхні, замерзає і тим самим захищає лежачі нижче шари від подальшого охолоджування і замерзання.

Велике значення в житті природи має і той факт, що вода. володіє аномально високою теплоємністю, Тому. у нічний час, а також при переході від літа до зими вода остигає поволі, а вдень або при переході від зими до літа так само поволі нагрівається, будучи, таким чином, регулятором температури на земній кулі.

У зв'язку з тим, що при плавленні льоду об'єм, займаний водою, зменшується, тиск знижує температуру плавлення льоду. Ця витікає з принципу Ле Шателье. Дійсно, хай лід і рідка вода знаходяться в рівновазі при 0 °С. Прі збільшенні тиску рівновага, згідно принципу Ле Шателье, зміститься у бік утворення тієї фази, яка при тій же температурі займає менший об'єм. Цією фазою є в даному випадку рідина. Таким чином, зростання тиску при 0 °З викликає перетворення льоду в рідину, а це і означає, що температура плавлення льоду знижується.

, дві електронні пари утворюють ковалентниє зв'язки О—Н, а решта чотирьох електронів є двома неподіленими електронними парами.

-орбиталях, зміщені щодо ядра атома і створюють два негативні полюси.

Молекулярна маса пароподібної води рівна 18 і відповідає її простій формулі. Проте молекулярна маса рідкої води, визначувана шляхом вивчення її розчинів в інших розчинниках, виявляється вищою. Це свідчить про те, що в рідкій воді відбувається асоціація молекул, тобто з'єднання їх в складніші агрегати. Такий висновок підтверджується і аномально високими значеннями температур плавлення і кипіння води. Асоціація молекул води викликана утворенням між ними водневих зв'язків.

У твердій воді (лід) атом кисню кожної молекули бере участь в утворенні двох водневих зв'язків з сусідніми молекулами води згідно схемі

 

x0,

у якій водневі зв'язки показані пунктиром. Схема об'ємної структури льоду зображена на малюнку. Утворення водневих зв'язків приводить до такого розташування молекул води, при якому вони стикаються один з одним своїми різнойменними полюсами. Молекули утворюють шари, причому кожна з них пов'язана з трьома молекулами, що належать до того ж шарую, і з однією — з сусіднього шару. Структура льоду належить до якнайменше щільних структур, в ній існують пустки, розміри яких декілька перевищують розміри молекули H2O.

При плавленні льоду його структура руйнується. Але і в рідкій воді зберігаються водневі зв'язки між молекулами: утворюються ассоциати — як би уламки структури льоду, — молекул води, що складаються з більшого або меншого числа. Проте на відміну від льоду кожен ассоциат існує дуже короткий час: постійно відбувається руйнування одних і утворення інших агрегатів. У пустках таких "крижаних” агрегатів можуть розміщуватися одиночні молекули води; при цьому упаковка молекул води стає щільнішою. Саме тому при плавленні льоду об'єм, займаний водою, зменшується, а її густина зростає.

У міру нагрівання води уламків структури льоду в ній стає все менше, що приводить до подальшого підвищення густини води. У інтервалі температур від 0 до 4 °З цей ефект переважає над тепловим розширенням, так що густина води продовжує зростати. Проте при нагріванні вище 4 °З переважає вплив посилення теплового руху молекул, і густина води зменшується. Тому при 4 °З вода володіє максимальною густиною.

При нагріванні води частина теплоти витрачається на розрив водневих зв'язків (енергія розриву водневого зв'язку у воді складає приблизно 25 кДж/моль). Цим пояснюється висока теплоємність води.

Водневі зв'язки між молекулами води повністю розриваються тільки під час переходу води в пару.

Діаграма стану води

Діаграма стану (або фазова діаграма) є графічним зображенням залежності між величинами, що характеризують стан системи, і фазовими перетвореннями в системі (перехід з твердого стану в рідкий, з рідкого в газоподібній і т. д.). Діаграми стану широко застосовуються в хімії. Для однокомпонентних систем звичайно використовуються діаграми стану, що показують залежність фазових перетворень від температури і тиску; вони називаються діаграмами стану в координатах Р — Т.

На малюнку приведена в схематичній формі (без строгого дотримання масштабу) діаграма стану води. Будь-якій крапці на діаграмі відповідають певні значення температури і тиску.

Діаграма показує ті стани води, які термодинамічно стійкі при певних значеннях температури і тиск. Вона складається з трьох кривих, що розмежовують всі можливі температури і тиск на три області, що відповідають льоду, рідині і парі.

Розглянемо кожну з кривих детальніше. Почнемо з кривою ОА, що відділяє область пари від області рідкого стану. Уявимо собі циліндр, з якого видалене повітря, після чого в нього введена деяка кількість чистою, вільною від розчинених речовин, зокрема від газів, води; циліндр забезпечений поршнем, який закріплений в деякому положенні. Через деякий час частина води випарується, і над її поверхнею знаходитиметься насичена пара. Можна зміряти його тиск і переконатися у тому, що воно не змінюється з часом і не залежить від положення поршня. Якщо збільшити температуру всієї системи і знов зміряти тиск насиченої пари, то виявиться, що воно зросло. Повторюючи такі вимірювання при різних температурах, знайдемо залежність тиску насиченої водяної пари від температури. Крива ОА є графіком цієї залежності: точки кривої показують ті пари значень температури і тиску, при яких рідка вода і водяна пара знаходяться в рівновазі один з одним — співіснують. Крива ОА називається кривою рівноваги рідина — пар або кривої кипіння. У таблиці приведені значення тиску насиченої водяної пари при декількох температурах:

Температура

Тиск насиченої пари

Температура

Тиск насиченої пари

кПа

мм рт. ст.

кПа

мм рт. ст.

0

0,61

4,6

50

12,3

92,5

10

1,23

9,2

60

19,9

149

20

2,34

17,5

70

31,2

234

30

4,24

31,8

80

47.4

355

40

7,37

55,3

100

101,3

760

Спробуємо здійснити в циліндрі тиск, відмінний від рівноважного, наприклад, менше, ніж рівноважне. Для цього звільнимо поршень і піднімемо його. У перший момент тиск в циліндрі дійсно впаде, але незабаром рівновага відновиться: випарується додатковий деяка кількість води, і тиск знов досягне рівноважного значення. Тільки тоді, коли вся вода випарується, можна здійснити тиск менший, ніж рівноважне. Звідси витікає, що крапкам, що лежать на діаграмі стану нижче або правіше за криву ОА, відповідає область пари. Якщо намагатися створити тиск, перевищуючий рівноважний, то цього можна досягти, лише опустивши поршень до поверхні води. Інакше кажучи, точкам діаграми, лежачим вище або ліво за криву ОА, відповідає область рідкого стану.

До яких пір тягнуться вліво області рідкого і пароподібного стану? Намітимо по одній крапці в обох областях і рухатимемося від них горизонтально вліво. Цьому руху крапок на діаграмі відповідає охолоджування рідини або пари при постійному тиску. Відомо, що якщо охолоджувати воду при нормальному атмосферному тиску, то досягши 0 °З вода почне замерзати. Проводячи аналогічні досліди при іншому тиску, дійдемо кривої ОС, що відділяє область рідкої води від області льоду. Ця крива — крива рівноваги твердий стан — рідина, або крива плавлення, — показує ті пари значень температури і тиску, при яких лід і рідка вода знаходяться в рівновазі.

Рухаючись по горизонталі вліво у області пари (у нижньою частині діаграми), аналогічним чином дійдемо кривої ОВ. Це крива рівноваги твердий стан — пара, або крива сублімації. Їй відповідають ті пари значень температури і тиску, при яких в рівновазі знаходяться лід і водяна пара.

Всі три криві перетинаються в точці О. Коордінати цієї крапки — це єдина пара значень температури і тиску,. при яких в рівновазі можуть знаходитися всі три фази: лід, рідка вода і пара. Вона носить назву потрійної крапки.

Крива плавлення досліджена до вельми високого тиску. У цій області знайдено декілька модифікацій льоду (на діаграмі не показані).

Справа крива кипіння закінчується в критичній крапці. При температурі, цій крапці, що відповідає, — критичній температурі — величини, що характеризують фізичні властивості рідини і пари, стають однаковими, так що відмінність між рідким і пароподібним станом зникає.

Існування критичної температури встановив в 1860 р. Д. І. Менделєєв, вивчаючи властивості рідин. Він показав, що при температурах, що лежать вище за критичну, речовина не може знаходитися в рідкому стані. У 1869 р. Ендрьюс, вивчаючи властивості газів, дійшов аналогічного висновку.

= 22,12 МПа.

Однієї з особливостей води, відрізняючих її від інших речовин, є пониження температури плавлення льоду із зростанням тиску. Ця обставина відображається на діаграмі. Крива плавлення ОС на діаграмі стану води йде вгору вліво, тоді як майже для всіх інших речовин вона йде вгору управо.

Перетворення, що відбуваються з водою при атмосферному тиску, відображаються на діаграмі крапками або відрізками, розташованими на горизонталі, що відповідає 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Так, плавлення льоду або кристалізація води відповідає крапці D, кипіння води — крапці Е, нагрівання або охолоджування води — відрізку DE і т.п.

Діаграми стану вивчені для ряду речовин, що мають наукове або практичне значення. Вони подібні розглянутій діаграмі стану води. Проте на діаграмах стану різних речовин можуть бути особливості. Так, відомі речовини, потрійна точка яких лежить при тиску, що перевищує атмосферне. В цьому випадку нагрівання кристалів при атмосферному тиску приводить не до плавлення цієї речовини, а до його сублімації — перетворення твердої фази безпосередньо в газоподібну.

Хімічні властивості води

. Процес розкладання речовини в результаті його нагрівання називається термічною дисоціацією. Термічна дисоціація води протікає з поглинанням теплоти. Тому, згідно принципу Ле Шателье, чим вища температура, тим більшою мірою розкладається вода. Проте навіть при 2000 °Із ступінь термічної дисоціації води не перевищує 2%, тобто рівновага між газоподібною водою і продуктами її дисоціації — воднем і киснем — все ще залишається зсунутим у бік води. При охолоджуванні ж нижче 1000 °З рівновага практично повністю зсовується в цьому напрямі.

Вода — вельми реакционноспособноє речовина. Оксиди багатьох металів і неметалів з'єднуються з водою, утворюючи підстави і кислоти; деякі солі утворюють з водою крісталлогидрати; найактивніші метали взаємодіють з водою з виділенням водню.

Вода володіє також каталітичною здатністю. У відсутність слідів вологи практично не протікають деякі звичні реакції; наприклад, хлор не взаємодіє з металами, фтороводород не роз'їдає скло, натрій не окислюється в атмосфери повітря.

О, які випадають у вигляді кристалів при температурах від 0 до 24 °З (звично при підвищеному тиску відповідного газу). Подібні з'єднання виникають в результаті заповнення молекулами газу ("гостивши”) міжмолекулярних порожнин, що є в структурі води ("господаря”); вони називаються з'єднаннями включення або клатратамі

У клатратних з'єднаннях між молекулами "гостивши” і "господаря” утворюються лише слабкі міжмолекулярні зв'язки; включена молекула не може покинути свого місця в порожнині кристала переважно через просторові утруднення. Тому клатрати — нестійкі з'єднання, які можуть існувати лише при порівняно низьких температурах.

Клатрати використовують для розділення вуглеводнів і благородних газів. Останнім часом освіта і руйнування клатратов газів (пропана і деяких інших) успішно застосовується для знесолення води. Нагнітаючи в солону воду при підвищеному тиску відповідний газ, одержують льдоподобниє кристали клатратов, а солі залишаються в розчині. Схожу на сніг масу кристалів відділяють від маткового розчину і промивають, Потім при деякому підвищенні температури або зменшенні тиску клатрати розкладаються, утворюючи прісну воду і початковий газ, який знов використовується для отримання клатрата. Висока економічність і порівняно м'які умови здійснення цього процесу роблять його перспективним як промисловий метод опріснення морської води.

Важка вода

Про і важкої води, що одержала назву.

По своїх властивостях важка вода помітно відрізняється від звичної води (таблиця). Реакції з важкою водою протікають повільніше, ніж із звичною. Важку воду застосовують як сповільнювач нейтронів в ядерних реакторах.

Константа

Н2О

D2О

Молекулярна маса

18

20

Температура замерзання, °З,

0

3,8

Температура кипіння, °З,

100

101,4

Густина при 25 °З, г/см Температура максимальної густини, °З

0,9971 4

1,1042 11,6

Бібліографічний список

1. Техніка і виробництво. М., 1972 р.

2. Хомченко Р. П. Химія для вступаючих до Вузів. М., 1995 р.

3. Прокофьев М. А. Енциклопедічеській словник юного хіміка. М., 1982 р.

4. Глінка Н. Л. Общая хімія. Ленінград, 1984 р.

5. Ахметов Н. С. Неорганічеськая хімія. Москва, 1992 р.




Реферат на тему: Вода. Важка вода (реферат)


Схожі реферати



5ka.at.ua © 2010 - 2017. Всі права застережені. При використанні матеріалів активне посилання на сайт обов'язкове.    
.