Надо Знать

добавить знаний



Вода


Геометрия молекулы воды

План:


Введение

Вода, Н 2 O - прозрачная жидкость без запаха, вкуса и цвета; оксид водорода. Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Атомы водорода расположены в молекуле так, что направления к ним образуют угол 104,45 o с вершиной в центре атома кислорода. Такое расположение приводит молекуле воды дипольный момент в 1,844 Дебая. При замене атомов водорода ( протонов) на атомы дейтерия образуется модификация, которая называется тяжелой водой.


1. Распространение в природе

Капли воды (роса) на волоске


1.1. Во Вселенной

Химические элементы, входящие в состав воды, Водород и Кислород, относятся к наиболее распространенным в природе. Образование воды из этих элементов происходит там, где плотность газов достаточно велика и столкновений между атомами достаточно вероятно. Вода обнаружена в составе межзвездных газовых облаков, лежащих в пределах нашей галактики Млечного Пути.


1.1.1. В солнечной системе

Одним из наиболее важных вопросов, связанных с освоением космоса человеком и можливисттю возникновения жизнь на других планетах, является вопрос о наличии воды за пределами Земли в достаточно большой концентрации. Известно, что некоторые кометы более чем на 50% состоят из водяного льда. Не стоит, впрочем, забывать, что не любое водную среду пригодное для жизни - в частности, аккумуляторная батарея содержит 25% раствор серной кислоты в воде (но жизни в нем, очевидно, является маловероятным, тем более, его возникновения).

В результате бомбардировки лунного кратера, проведенного 9 октября 2009 года НАСА с использованием космического аппарата LCROSS, впервые были получены достоверные свидетельства наличия на спутнике Земли водяного льда в больших объемах. [1]

Точно установлено, что вода в замерзшем состоянии находится на поверхности Марса.

Жидкая вода, предположительно, находятся под поверхностью некоторых спутников планет, наиболее вероятно, на Европе, спутнике Юпитера.


1.2. На Земле

Вода относится к наиболее распространенных веществ на Земному шару [ ]. Водой покрыто около 2/3 поверхности земного шара ( океаны, моря, озера, реки). Значительная ее количество в виде льда и снега покрывает высокие горы и огромные пространства Арктики и Антарктиды. Много воды в атмосфере - пара, туман и облака. Значительные количества воды содержатся и в земной коре в виде подземных вод. В природе вода находится не только в свободном состоянии, но и в химически связанном.

Вода входит в состав многих горных пород и всех растительных и животных организмов. На воду приходится около 60% массы животных и до 80% массы рыб. В некоторых растениях содержание воды иногда превышает 90% их массы.

Большинство запасов воды на Земли находятся в морях и океанах, пресная вода составляет менее 1%.


2. Физические свойства

Упрощенная модель структуры молекулы воды

Чистая вода - бесцветная прозрачная жидкость, без запаха и вкуса. На земле вода существует в трех агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном. По нормального атмосферного давления при 0 С она замерзает и превращается в лед, а при 100 С - кипит, превращаясь в пару. В газообразном состоянии вода существует и по низкой температуры, даже ниже 0 С. Поэтому лед и снег тоже постепенно испаряются.

В жидком состоянии вода практически не сжимается, при замерзании расширяется на 1/11 от своего объема.

Наибольшую плотность вода имеет при +4 С. Массу 1 см 3 чистой воды при этой температуре приняли за единицу и назвали граммом (современное определение г основано на точном эталоне). В отличие от других жидкостей, вода при охлаждении от + 4 до 0 С расширяется. Поэтому лед легче воды (на 8%) и не тонет в ней. Благодаря этому, а также малой теплопроводности слой льда защищает глубокие водоемы от промерзания до дна, и этим обеспечивается них жизни.

Тройная точка воды, т.е. условия, при которых одновременно в равновесном состоянии могут сосуществовать вода, лед и пар, реализуется при температуре 0,01 C и давления 611,73 Па. Значение 0,01 C точное - на нем основано определение единицы измерения температуры Международной системе (СИ), кельвина.

Вода характеризуется большим удельной теплоемкостью, равной по определению калории 1 кал / г-град. Благодаря этому температура океанов и морей меняется достаточно медленно, и этим регулируется температура на поверхности земной коры. Этим объясняется также то, что климат на островах равномерное, чем на материках.

Физические свойства воды во многом обусловлены тем, что молекула воды имеет значительный дипольный момент (1,844 Дебая). Благодаря этому молекулы воды сильно взаимодействуют между собой, что приводит к конденсации при достаточно высокой температуре. Так, например, намного тяжелее молекулы кислорода и углекислого газа при этих температурах конденсированной фазы не образуют. Легкие атомы водорода образуют водородные связи между различными молекулами, вызывая сложную взаимосвязанную структуру жидкости.


2.1. Прозрачность воды

После падения капли воды

Чистая вода - прозрачное вещество с показателем преломления в видимом диапазоне 1,33. Вода, однако поглощает электромагнитные волны в инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра.

Прозрачность воды зависит от толщины слоя, через которую проходит свет, от цветности и мутности воды, то есть от содержания в ней различных красочных взвешенных минеральных и органических веществ.

Мерой прозрачности служит высота столба воды, при которой можно наблюдать белый диск-прозоромир определенных размеров, его погружают в воду, или различать на белой бумаге стандартный шрифт определенного размера и типа. Результаты выражаются в сантиметрах с называнием способа измерения. По степени прозрачности воды разделяют на: 1) прозрачные, 2) слабо прозрачные, 3) слабо мутные, 4) мутные, 5) сильно мутные.


3. Химические свойства

В состав воды входит водород и кислород. Химическая формула воды Н 2 О. Молекулы воды очень полярные. Поэтому они могут привлекаться друг к другу своими противоположными полюсами и соединяться в агрегаты (Н 2 О) n. Вследствие этого вода состоит не только из простых молекул Н 2 О, а и агрегатов молекул (Н 2 О) 2,2 О) 3 и т. д.

В химическом отношении вода достаточно активна. Со многими веществами она вступает в химические реакции уже при обычной температуре. С оксидами щелочных и щелочноземельных она образует основы :

  • СаО + Н 2 О = Са (ОН) 2

Со многими оксидами неметаллов ( ангидридами) вода образует с кислородом кислоты:

  • Р 2 О 5 + 3Н 2 О = 2Н 3 РО 4

С активными металлами она образует основания с выделением водорода:

  • 2Na + 2Н 2 О = 2NaOH + H 2

С некоторыми солями вода образует так называемые кристаллогидраты, которые характеризуются строго определенным количеством молекул воды, приходящихся на одну молекулу соли. Например, с сульфатом меди вода образует медный купорос :

  • CuSO 4 + 5Н 2 О = CuSO 42 О

в котором на одну молекулу сульфата меди приходится пять молекул воды. Воду, которая входит в состав кристаллов, называют кристаллизационной.

Кристаллизационную воду не следует путать с гигроскопичной водой, которая поглощается ( адсорбируется) поверхностью и порами всех веществ на открытом воздухе. Некоторые вещества отличаются повышенной способностью поглощать влагу воздуха. Вследствие этого они мокреют (например, NaCl), а иногда даже и расплываются на воздухе (как CaCl 2). Такие вещества называют гигроскопическими. В отличие от кристаллизационной, количество гигроскопической воды в веществах, переменная. Она химически не взаимодействует с веществом-адсорбантом.

При высокой температуре водяной пар взаимодействует с железом и другими веществами. Например:

  • 3Fe + 4Н 2 О = Fe 3 О 4 + 4Н 2

Ранее эту реакцию применяли в технике для добычи водорода.

В термическом отношении вода достаточно устойчива. Однако при температурах выше 1000 С, она начинает разлагаться на водород и кислород:

  • \ Mbox {2H} _2 \ mbox {O} \; \ quad \ overrightarrow {\ leftarrow} \ quad \ mbox {2H} _2 + \ mbox {O} _2

4. Роль воды в природе и жизни

В природе вода играет чрезвычайно важную роль. Испаряясь, вода переносится на большие расстояния и там выпадает в виде дождя и снега. Влажность воздуха и количество атмосферных осадков являются важнейшими факторами, регулирующими климат и погоду.

Вода также является одним из важнейших геологических факторов, изменяет внешний вид земной поверхности, размывая горы и образуя долины. Она разрушает горные породы не только механически, но и химически, реагируя с ними с образованием других веществ.

Вода имеет огромное значение в жизни человека, животных и растений. Она нужна растениям для растворения питательных веществ почвы. Недостаток воды в почве приводит к ухудшению питания растений и снижение урожая сельскохозяйственных культур. Поэтому для обеспечения в почве воды осуществляют целый комплекс агрохимических мероприятий.

Все процессы пищеварения и усвоения пищи человеком и животными происходят в водной среде. Чрезмерная потеря воды организмом (до 10 - 20%) может привести к гибели. Ежедневная потребность взрослого человека в воде составляет 2,5-4 дм 3. Вода является одним из шести основных питательных элементов здорового питания человека наряду с углеводами, белками, жирами, витаминами и минералами.


4.1. Вред и опасность воды

Вредным воздействием вод являются:

  1. последствия наводнения, которые привели к затоплению и подтоплению земель и населенных пунктов;
  2. разрушение берегов, защитных дамб и других сооружений;
  3. заболачивания, подтопления и засоления земель, вызванных повышением уровня грунтовых вод вследствие ненормированной подачи воды во время орошения, утечка воды из водопроводно-канализационных систем и перекрытия потоков подземных вод при размещении крупных промышленных и других сооружений;
  4. осушение земель, обусловленное забором подземных вод в количестве, превышающем установленные объемы отбора воды;
  5. загрязнение (засол) земель в районах добычи полезных ископаемых, а также после окончания эксплуатации месторождений и их консервации;
  6. эрозия почв, образование оврагов, оползней и селей.

Во время проектирования водохозяйственных и других объектов должно учитываться возможное вредное воздействие вод, а при эксплуатации этих объектов - предприниматься меры по ее предупреждению, а именно:

  1. лугов и создание лесонасаждений на прибрежных защитных полосах, склонах, балках и оврагах;
  2. строительство противоэрозионных гидротехнических сооружений, земляных валов, водосбросов, защитных дамб, водохранилищ-регуляторов
  3. сооружения дренажа;
  4. укрепление берегов и т.п..

5. Вода в технике

Вода имеет многочисленные технические применения. Энергия падения воды широко используется в гидроэлектростанциях для получения дешевой электрической энергии. Воду используют в строительной, текстильной, кожаной, металлургической и многих других областях промышленности. Особенно широко применяют воду в химической промышленности для процессов растворения, фильтрации, промывки и как сырье для получения различных химических продуктов: едких щелочей, кислот, водорода подобное.


6. Качество воды

Вода открытых водоемов, используемой для хозяйственно-питьевого водоснабжения, купания, спортивных занятий, организованного отдыха, с лечебной целью, а также вода водоемов в пределах населенных пунктов должна отвечать санитарным нормам. [2]

7. Очистка природной воды

Природная вода никогда не бывает полностью чистой. В ней всегда содержатся растворенные вещества, а иногда и нерастворимые примеси. Наиболее чистой является дождевая и снеговая вода. Но и дождевая вода содержит около 0,003% растворенных минеральных веществ, находящихся в воздухе в виде пыли и вымываются дождем.

Падая на землю, дождливая и снежная вода частично стекает в реки, а частично просачивается в почву и образует так называемые подземные воды. Попутно она растворяет различные вещества. Речные воды содержат около 0,05% растворенных веществ, а подземные (родниковая, колодезная и т.д.) - до 0,1% и более.

Все природные воды, содержащие до 0,1% растворенных солей, называют пресными. Когда растворенных веществ больше 0,1%, воду называют соленой.

Соленым является морская вода. В ней содержится до 3-4% растворенных веществ. Наличие в морской воде очень большого количества растворенных солей делает ее непригодной ни для потребления, ни для хозяйственно-бытовых, ни для промышленных нужд.

Поскольку природная вода не бывает совершенно чистой, то в большинстве случаев для непосредственного потребления она непригодна. Поэтому ее предварительно подвергают очистке как от механических примесей, так и некоторых растворенных солей, а иногда и от всех посторонних веществ. Характер очистки воды зависит от того, для какой цели ее употребляют.

Особенно высокие требования предъявляются к очистке питьевой воды. Питьевая вода должна быть совершенно прозрачной, бесцветной, без запаха и вкуса, без органических остатков и вредных бактерий, с умеренным количеством растворенных солей. Хорошей для питья считается вода, содержащая в 1 дм 3 0,3 г (или 0,03%) растворенных солей. Вода, в которой очень мало или слишком много растворенных солей, вредна.

Нормативные рекомендации складываются в результате экспертной оценки, основанный на нескольких факторах - анализе данных о распространенности и концентрацию веществ,; возможностях, которые проявляют обычно в воде, очистка от этих веществ, научно обоснованных выводах о влиянии загрязняющих веществ на живой организм. Что касается последнего фактора, то он имеет некоторую неопределенность, поскольку экспериментальные данные переносятся из мелких животных на человека, затем линейно (а это условное допущение) экстраполируются с больших доз вредных веществ на малые, затем вводится "коэффициент запаса" - полученный результат по концентрации вредного вещества делится обычно на 100. Кроме того, существует неопределенность, связанная с неконтролируемым поступлением в воду техногенных примесей и отсутствием данных о поступлении дополнительных количеств вредных веществ из воздуха и продуктов питания. Относительно влияния канцерогенных и мутагенных веществ большинство ученых считают их воздействие на организм пороговой, то достаточно одной молекуле такого вещества попасть на соответствующий рецептор, чтобы вызвать заболевание. величины рекомендуют Реально, таких веществ допускают один случай заболевания через воду на 100 000 населения. Далее, в нормативах на питьевую воду приводится очень ограничен подлежащих контролю веществ и вовсе не учитывается вирусная инфекция. И, наконец, совершенно не учитываются особенности организма различных людей (что принципиально невозможно). Таким образом, нормативы на питьевую воду отражают, собственно говоря, экономические возможности государств [3].

Лучшей для питья считается родниковая и артезианская вода. Речную воду тоже употребляют для питья после ее очистки.

Вода с примесями органических веществ, в которых могут развиваться микробы, совершенно непригодна не только для питья, но и для целого ряда других целей. Такая вода непригодна, например, для пищевой промышленности, для сахарного, крахмального и бумажного производства. Органические примеси могут вызвать гниение бумаги и брожение крахмала и сахара. Кроме того, они предоставляют крахмала и сахара неприятного желтого цвета. Природную воду очищают обычно на водоочистных станциях. Сначала ее отстаивают в специальных отстойниках, где оседает песок, глина и основная масса других нерастворимых веществ, а затем фильтруют через слой гравия, кокса и песка, чтобы отделить муть, которая тяжело оседает. При этом вместе с мутью отфильтровываются остатки органических веществ и большая часть бактерий. Для полного обеззараживания воду хлорируют, добавляя к ней небольшие количества хлора (обычно в виде хлорной извести из расчета 0,7 г хлора на 1 т воды).

Для полной очистки от всех посторонних веществ воду подвергают перегонке или дистилляции. Очищенную таким образом воду называют дистиллированной. Дистиллированная вода лишена не только механических примесей, но и растворенных солей. Дистиллированную воду применяют в химических лабораториях для изготовления растворов различных веществ. В аптеках ее используют для изготовления лекарств. Дистиллированную воду употребляют для кислотных аккумуляторов. Крупнейшие ее количества использует химическая промышленность. В последнее время дистиллированную воду применяют также для паровых котлов высокого давления.


8. Гидрология

Гидрология - наука, изучающая природные воды, их взаимодействие с атмосферой и литосферой, а также явления и процессы, которые в них протекают (испарение, замерзание и т. п.).

Предметом изучения гидрологии являются все виды вод гидросферы в океанах, морях, реках, озерах, водохранилищах, болотах, грунтовых и подземных вод.

Гидрология исследует круговорот воды в природе, влияние на него деятельности человека и управление режимом водных объектов и водным режимом отдельных территорий; проводит анализ гидрологических элементов для отдельных территорий и Земли в целом, дает оценку и прогноз состояния и рационального использования водных ресурсов; пользуется методами, применяемыми в географии, физике и других науках. Данные гидрологии моря используются при плавании и ведении боевых действий надводными кораблями и подводными лодками.

Гидрология подразделяется на океанологию, гидрологии суши и гидрогеологии.

Океанология подразделяется на биологию океана, химию океана, геологию океана, физическую океанологию, и взаимодействие океана и атмосферы.

Гидрология суши подразделяется на гидрологии рек (речную гидрологию, потамологию) Озероведение (лимнологии), болотоведення, кригознавство.



См.. также


9. Сноски

  1. Вода на Луне: а откуда?
  2. Закон Украины "Об обеспечении санитарного и эпидемического благополучия населения".
  3. Все о загрязнении и очистку воды

Источники


Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам