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 2,5-3,01016т, 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 1.1
Молекулярный 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.
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;