Вода. Тяжелая вода icon

Вода. Тяжелая вода



НазваниеВода. Тяжелая вода
Дата конвертации05.07.2012
Размер111,82 Kb.
ТипРеферат
Вода. Тяжелая вода


Вода. Тяжелая вода Содержание 1. Вода в природе 2. Физические свойства воды 3. Диаграмма состояния воды 4. Химические свойства воды 5. Тяжелая вода 6. Библиография 1. Вода в природе. Вода — весьма распространенное на Земле вещество. Почти3/4 поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки иозера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров ватмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год навершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находитсявода, пропитывающая почву и горные породы.Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой являетсядождевая вода, но и она содержит незначительные количества различныхпримесей, которые захватывает из воздуха.Количество примесей в пресных водах обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1%(масс.) . Морская вода содержит 3,5% (масс.) растворенных веществ, главнуюмассу которых составляет хлорид натрия (поваренная соль) .Вода, содержащая значительное количество солей кальция и магния, называетсяжесткой в отличие от мягкой воды, например дождевой. Жесткая вода дает малопены с мылом, а на стенках котлов образует накипь.Чтобы освободить природную воду от взвешенных в ней частиц, ее фильтруютсквозь слой пористого вещества, например, угля, обожженной глины и т.п. Прифильтровании больших количеств воды пользуются фильтрами из песка и гравия.Фильтры задерживают также большую часть бактерий. Кроме того, дляобеззараживания питьевой воды ее хлорируют; для полной стерилизации водытребуется не более 0,7 г хлора на 1 т воды.Фильтрованием можно удалить из воды только нерастворимые примеси.Растворенные вещества удаляют из нее путем перегонки (дистилляции) илиионного обмена.Вода имеет очень большое значение в жизни растений, животных и человека.Согласно современным представлениям, само происхождение жизни связывается сморем. Во всяком организме вода представляет собой среду, в которойпротекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма;кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций.2. Физические свойства воды. Чистая вода представляет собой бесцветнуюпрозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния вжидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. Принагревании воды от 0 до 4°С плотность ее также увеличивается. При 4°С водаимеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании ее плотностьуменьшается.Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния втвердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющегобольшинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природныхвод охлаждались. бы до 0°С и опускались на дно, освобождая место болеетеплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема неприобрела бы температуру 0°С. Далее вода начинала бы замерзать,образующиеся льдины погружались бы на дно и водоем промерзал бы на всю егоглубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так какнаибольшей плотность вода достигает при 4 °С, то перемещение ее слоев,вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. Придальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшейплотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащиениже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.Большое значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода. обладаетаномально высокой теплоемкостью [4,18 Дж/(г[pic]К) ], Поэтому. в ночноевремя, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днемили при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, такимобразом, регулятором температуры на земном шаре.В связи с тем, что при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается,давление понижает температуру плавления льда. Эта вытекает из принципа ЛеШателье. Действительно, пусть. лед и жидкая вода находятся в равновесии приО°С. При увеличении давления равновесие, согласно принципу Ле Шателье,сместится в сторону образования той фазы, которая при той же температурезанимает меньший объем. Этой фазой является в данном случае жидкость. Такимобразом, возрастание давления при О°С вызывает превращение льда в жидкость,а это и означает, что температура плавления льда снижается.Молекула воды имеет угловое строение; входящие в ее состав ядра образуютравнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а ввершине — ядро атома кислорода, Межъядерные расстояния О—Н близки к 0,1 нм,расстояние между ядрами атомов водорода равно примерно 0,15 нм. Из восьмиэлектронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода вмолекуле воды [pic]две электронные пары образуют ковалентные связи О—Н, аостальные четыре электрона представляют собой две неподеленных электронныхпары.Атом кислорода в молекуле воды находится в состоянии [pic]-гибридизации.Поэтому валентный угол НОН (104,3°) близок к тетраэдрическому (109,5°) .Электроны, образующие связи О—Н, смещены к более электроотрицательномуатому кислорода. В результате атомы водорода приобретают эффективныеположительные заряды, так что на этих атомах создаются два положительныхполюса. Центры отрицательных зарядов неподеленных электронных пар атомакислорода, находящиеся на гибридных [pic]- орбиталях, смещены относительноядра атома и создают два отрицательных полюса[pic]Молекулярная масса парообразной воды равна 18 и отвечает ее простейшейформуле. Однако молекулярная масса жидкой воды, определяемая путем изученияее растворов в других растворителях оказывается более, высокой. Этосвидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул,т.е. соединение их в более сложные агрегаты. Такой вывод подтверждается ианомально высокими значениями температур плавления и кипения воды.Ассоциация молекул воды вызвана образованием между ними водородных связей.В твердой воде (лед) атом кислорода каждой молекулы участвует в образованиидвух водородных связей с соседними молекулами воды согласно схеме,[pic] [pic] в которой водородные связи показаны пунктиром. Схема объемной структурыльда изображена на рисунке. Образование водородных связей приводит к такомурасположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другомсвоими разноименными полюсами. Молекулы образуют слои, причем каждая из нихсвязана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной — изсоседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, вней существуют пустоты, размеры наименее плотным структурам, в нейсуществуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы[pic].При плавлении льда его структура разрушается. Но и в жидкой водесохраняются водородные связи между молекулами: образуются ассоциаты — какбы обломки структуры льда, — состоящих из большего или меньшего числамолекул воды. Однако в отличие ото льда каждый ассоциат существует оченькороткое время: постоянно происходит разрушение одних и образование другихагрегатов. В пустотах таких “ледяных” агрегатов могут размещаться одиночныемолекулы воды; при этом упаковка молекул воды становится более плотной.Именно поэтому при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, аее плотность возрастает.По мере нагревания воды обломков структуры льда в ней становится всеменьше, что приводит к дальнейшему повышению плотности воды. В интервалетемператур от 0 до 4°С этот эффект преобладает над тепловым расширением,так что плотность воды продолжает возрастать. Однако при нагревании выше4°С преобладает влияние усиления теплового движения молекул и плотностьводы уменьшается. Поэтому при 4°С вода обладает максимальной плотностью.При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей(энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25 кДж/моль) .Этим объясняется высокая теплоемкость воды.Водородные связи между молекулами воды полностью разрываются только припереходе воды в пар.3. Диаграмма состояния воды. Диаграмма состояния (или фазовая диаграмма)представляет собой графическое изображение зависимости между величинами,характеризующими состояние системы, и фазовыми превращениями в системе(переход из твердого состояния в жидкое, из жидкого в газообразной и т.д.). Диаграммы состояния широко применяются в химии. Для однокомпонентныхсистем обычно используются диаграммы состояния, показывающие зависимостьфазовых превращений от температуры и давления; они называются диаграммамисостояния в координатах Р—Т.На рисунке приведена в схематической форме (без строгого соблюдениямасштаба) диаграмма состояния воды. Любой точке на диаграмме отвечаютопределенные значения температуры и давления.Диаграмма показывает те состояния воды, которые термодинамически устойчивыпри определенных значениях температуры и давления. Она состоит из трехкривых, разграничивающих все возможные температуры и давления на триобласти, отвечающие льду, жидкости и пару.[pic]Рассмотрим каждую из кривых более подробно. Начнем с кривой ОА (рис. 73) ,отделяющей область пара от области жидкого состояния. Представим себецилиндр, из которого удален воздух, после чего в него введено некотороеколичество чистой, свободной от растворенных веществ, в том числе от газов,воды; цилиндр снабжен поршнем, который закреплен в некотором положении.Через некоторое время часть воды испарится и над ее поверхностью будетнаходиться насыщенный пар. Можно измерить его давление и убедиться в том,что оно не изменяется с течением времени и не зависит от положения поршня.Если увеличить температуру всей системы и вновь измерить давлениенасыщенного пара, то окажется, что оно возросло. Повторяя такие измеренияпри различных температурах, найдем зависимость давления насыщенноговодяного пара от температуры. Кривая ОА представляет собой график этойзависимости: точки кривой показывают те пары значений температуры идавления, при которых жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии другс другом — сосуществуют. Кривая ОА называется кривой равновесияжидкость—пар или кривой кипения. В таблице приведены значения давлениянасыщенного водяного пара при нескольких температурах.[pic]|Температур|Давление | |Температура |Давление | ||а |насыщенног| | |насыщенног| || |о пара | | |о пара | || | | | | | || |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 |Попытаемся осуществить в цилиндре давление, отличное от равновесного,например, меньшее, чем равновесное. Для этого освободим поршень и поднимемего. В первый момент давление в цилиндре, действительно, упадет, но вскореравновесие восстановится: испарится добавочно некоторое количество воды идавление вновь достигнет равновесного значения. Только тогда, когда всявода испарится, можно осуществить давление, меньшее, чем равновесное.Отсюда следует, что точкам, лежащим на диаграмме состояния ниже или правеекривой ОА, отвечает область пара. Если пытаться создать давление,превышающее равновесное, то этого можно достичь, лишь опустив поршень доповерхности воды. Иначе говоря, точкам диаграммы, лежащим выше или левеекривой ОА, отвечает область жидкого состояния.До каких пор простираются влево области жидкого и парообразного состояния?Наметим по одной точке в обеих областях и будем двигаться от нихгоризонтально влево. Этому движению точек на диаграмме отвечает охлаждениежидкости или пара при постоянном давлении. Известно, что если охлаждатьводу при нормальном атмосферном давлении, то при достижении 0°С вода начнетзамерзать. Проводя аналогичные опыты при других давлениях, придем к кривойОС, отделяющей область жидкой воды от области льда. Эта кривая — криваяравновесия твердое состояние — жидкость, или кривая плавления, — показываетте пары значений температуры и давления, при которых лед и жидкая воданаходятся в равновесии.Двигаясь по горизонтали влево в области пара (в нижнею части диаграммы) ,аналогичным образом придем к кривой 0В. Это—кривая равновесия твердоесостояние—пар, или кривая сублимации. Ей отвечают те пары значенийтемпературы к давления, при которых в равновесии находятся лед и водянойпар.Все три кривые пересекаются в точке О. Координаты этой точки—этоединственная пара значений температуры и давления,. при которых вравновесии могут находиться все три фазы: лед, жидкая вода и пар. Она носитназвание тройной точки.Кривая плавления исследована до весьма высоких давлений, В этой областиобнаружено несколько модификаций льда (на диаграмме не показаны) .Справа кривая кипения оканчивается в критической точке. При температуре,отвечающей этой точке, —критической температуре— величины, характеризующиефизические свойства жидкости и пара, становятся одинаковыми, так чторазличие между жидким и парообразным состоянием исчезает.Существование критической температуры установил в 1860 г. Д. И. Менделеев,изучая свойства жидкостей. Он показал, что при температурах, лежащих вышекритической, вещество не может находиться в жидком состоянии. В 1869 г.Эндрьюс, изучая свойства газов, пришел к аналогичному выводу.Критические температура и давление для различных веществ различны. Так, дляводорода [pic]= —239,9 °С, [pic]= 1,30 МПа, для хлора [pic]=144°С,[pic]=7,71 МПа, для воды [pic]= 374,2 °С, [pic]=22,12 МПа.Одной из особенностей воды, отличающих ее от других веществ, являетсяпонижение температуры плавления льда с ростом давления. Это обстоятельствоотражается на диаграмме. Кривая плавления ОС на диаграмме состояния водыидет вверх влево, тогда как почти для всех других веществ она идет вверхвправо.Превращения, происходящие с водой при атмосферном давлении, отражаются надиаграмме точками или отрезками, расположенными на горизонтали, отвечающей101,3 кПа (760 мм рт. ст.) . Так, плавление льда или кристаллизация водыотвечает точке D, кипение воды—точке Е, нагревание или охлаждение воды —отрезку DE и т.п.Диаграммы состояния изучены для ряда веществ, имеющих научное илипрактическое значение. В принципе они подобны рассмотренной диаграммесостояния воды. Однако на диаграммах состояния различных веществ могут бытьособенности. Так, известны вещества, тройная точка которых лежит придавлении, превышающем атмосферное. В этом случае нагревание кристаллов приатмосферном давлении приводит не к плавлению этого вещества, а к егосублимации - превращению твердой фазы непосредственно в газообразную.4. Химические свойства воды. Молекулы воды отличаются большой устойчивостьюк нагреванию. Однако при температурах выше 1000 °С водяной пар начинаетразлагаться на водород и кислород: 2Н[pic]О [pic]2Н[pic]+О[pic] Процессразложения вещества в результате его нагревания называется термическойдиссоциацией. Термическая диссоциация воды протекает с поглощением теплоты.Поэтому, согласно принципу Ле Шателье, чем выше температура, тем в большейстепени разлагается вода. Однако даже при 2000 °С степень термическойдиссоциации воды не превышает 2%, т.е. равновесие между газообразной водойи продуктами ее диссоциации — водородом и кислородом — все еще остаетсясдвинутым в сторону воды. При охлаждении же ниже 1000 °С равновесиепрактически полностью сдвигается в этом направлении.Вода — весьма реакционноспособное вещество. Оксиды многих металлов инеметаллов соединяются с водой, образуя основания и кислоты; некоторые солиобразуют с водой кристаллогидраты; наиболее активные металлывзаимодействуют с водой с выделением водорода.Вода обладает также каталитической способностью. В отсутствие следов влагипрактически не протекают некоторые обычные реакции; например, хлор невзаимодействует с металлами, фтороводород не разъедает стекло, натрий неокисляется в атмосферы воздуха.Вода способна соединяться с рядом веществ, находящихся при обычных условияхв газообразном состоянии, образуя при этом так: называемые гидраты газов.Примерами могут служить соединения Хе[pic]6Н[pic]О, CI[pic][pic]8H[pic]O,С[pic]Н[pic][pic]6Н[pic]О, С[pic]Н[pic][pic]17Н[pic]О, которые выпадают ввиде кристаллов при температурах от 0 до 24 °С (обычно при повышенномдавлении соответствующего газа) . Подобные соединения возникают врезультате заполнения молекулами газа (“гостя” ) межмолекулярных полостей,имеющихся в структуре воды (“хозяина” ) ; они называются соединениямивключения или клатратами.В клатратных соединениях между молекулами “гостя” и “хозяина” образуютсялишь слабые межмолекулярные связи; включенная молекула не может покинутьсвоего места в полости кристалла преимущественно из-за пространственныхзатруднений. Поэтому клатраты — неустойчивые соединения, которые могутсуществовать лишь при сравнительно низких температурах.Клатраты используют для разделения углеводородов и благородных газов. Впоследнее время образование и разрушение клатратов газов (пропана инекоторых других) успешно применяется для обессоливания воды. Нагнетая всоленую воду при повышенном давлении соответствующий газ, получаютльдоподобные кристаллы клатратов, а соли остаются в растворе. Похожую наснег массу кристаллов отделяют от маточного раствора и промывают, Затем принекотором повышении температуры или уменьшении давления клатратыразлагаются, образуя пресную воду и исходный газ, который вновьиспользуется для получения клатрата. Высокая экономичность и сравнительномягкие условия осуществления этого процесса делают его перспективным вкачестве промышленного метода опреснения морской воды.5. Тяжелая вода. При электролизе обычной воды, содержащей наряду смолекулами Н[pic]О также незначительное количество молекул D[pic]O,образованных тяжелым изотопом водорода, разложению подвергаютсяпреимущественно молекулы Н[pic]О. Поэтому при длительном электролизе водыостаток постепенно обогащается молекулами D[pic]O. Из такого остатка послемногократного повторения электролиза в 1933 г. впервые удалось выделитьнебольшое количество воды состоящей почти на 100% из молекул D[pic]О иполучившей название тяжелой воды.По своим свойствам тяжелая вода заметно отличается от обычной воды(таблица) . Реакции с тяжелой водой протекают медленнее, чем с обычной.Тяжелую воду применяют в качестве замедлителя нейтронов в ядерныхреакторах.|Константа |Н[pic]О |D[pic]О ||Молекулярная масса |18 |20 ||Температура замерзания, °С, |0 |3,8 ||Температура кипения, °С, |100 |101,4 ||Плотность при 25°С, г/см Температура |0,9971 4 |1,1042 11,6 ||максимальной плотности, °С | | | Библиография 1. Д. Э., Техника и производство. М., 1972г 2. Хомченко Г. П., Химия для поступающих в ВУЗы. М., 1995г. 3. Прокофьев М. А., Энциклопедический словарь юного химика. М., 1982г. 4. Глинка Н. Л., Общая химия. Ленинград, 1984г. 5. Ахметов Н. С., Неорганическая химия. Москва, 1992г.




Нажми чтобы узнать.

Похожие:

Вода. Тяжелая вода iconВода. Тяжелая вода Вода. Тяжелая вода
Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на...
Вода. Тяжелая вода iconДокументи
1. /Вода Тяжелая вода.doc
Вода. Тяжелая вода iconВода. Тяжелая вода
Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на...
Вода. Тяжелая вода iconИсследовательская работа «бегство от удивлений, или поиски живой и мёртвой воды»
Нижегородским медицинским центром «Коралловый клуб». В работе много наглядности: фотографий, таблиц, рисунков, схем. Автор достигает...
Вода. Тяжелая вода iconВода. Тяжелая вода

Вода. Тяжелая вода iconНеорганические вещества и их роль в организме. Вода
Вода. Из неорганических веществ, входящих в состав клетки, важнейшим является вода. Количество ее составляет от 60 до 95% общей массы...
Вода. Тяжелая вода iconЖивительный источник Уразбекова Ж. Х
«Вода-это самое драгоценное ископаемое. Вода-это не просто минеральное сырье, это не только средство для развития промышленности...
Вода. Тяжелая вода iconУрок химии в 8 классе «…Все хорошо в природе, но вода красота всей природы!»
«Вода — самое драгоценное минеральное сырье, это не только средство для развития промыш­ленности и сельского хозяйства, вода — это...
Вода. Тяжелая вода iconФілософія стародавніх Греції І Риму
Цим началом у нього є вода. З одного боку, Фалес, розуміючи воду як начало, наївно примушує плавати на ній Землю, а з іншого боку,...
Вода. Тяжелая вода icon«Вода, которую мы пьем». Исследовательская работа Предметная область химия
Вода – это жизнь. Более миллиарда людей использую некачественную воду, из-за этого страдают различными заболеваниями, а иногда даже...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©rushkolnik.ru 2000-2015
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы