Фазлутдинов К.К.

03.05.2019 (обновленно 03.05.2019)

5664 просмотров

Физические и химические свойства воды. Факты о воде и аномалии ее поведения, о которых Вы не знали

Содержание:

1. Введение

2. Несколько фактов о воде

3. Свойства воды

1. Введение.

Сегодня каждый человек знает, что самым распространенным веществом на Земле является вода. Любой без труда назовет ее химическую формулу - H₂O. Однако, окунувшись чуть глубже в вопрос строения и свойств воды, водных растворов, оказывается, что вода таит в себе множество неразрешенных вопросов и аномалий. Эти вопросы могут интересовать ученых, производственников, медиков. Эти же вопросы должны быть интересны каждому человеку, ведь мы по большей части состоим из воды. Так, интересно понять: 

• Каковы современные представления о структуре воды. Особенно - есть ли у воды "память" не в мистическом, а в строго научном смысле;
• Вода, которую мы пьем - по сути разбавленный раствор. Что это и как концентрация веществ в растворе может влиять на его биологическую активность?
• Как внешние физические факторы, окружающие нас, могут влиять на воду и водные растворы, из которых в т.ч. состоит человек.
• Как вода, поступающая в организм, в зависимости от химического состава влияет на него? Какую воду можно пить?;
• Как лучше произвести очистку воды в домашних условиях.  

2. Немного фактов о воде.

• С точки зрения названия вода имеет много синонимов: оксид водорода, гидроксид водорода, монооксид дигидрогена, оксидан, дигидромонооксид, гидрид кислорода.
• В малом объеме вода бесцветна. Толстые же слои воды имеют голубовато-зеленую окраску.
• На нашей планете около 16 млрд. км³ воды - это 0,25% массы Земли. Из них 0,2 млрд. км3 - озера и реки, 13 тыс. км3 - водяной пар атмосферы.
• 97,6% известной свободной воды содержится в Мировом океане. В мантии Земли воды еще в 10-12 раз больше, чем в океане.
• Человек в среднем состоит на 70% из воды, медуза - на 96%, а водоросли - на 99%. В младенце содержится значительно больше воды, чем в человеке преклонных лет.
• В костях человека содержится 22% воды, в крови - 83%, в стекловидном теле глаз - 99%.
• Человек в некотором смысле является гидравлической машиной, поэтому застой жидкости в разных частях организма или преграды для ее свободного перемещения обязательно вызывают заболевания.
• За год через организм человека проходит около 1 тонны воды.

 3. Свойства воды.

3.1 Некоторые физические свойства.  

• Зависимость относительного объема воды от температуры: 

  
• Зависимость плотности массы воды от температуры: 

  
• Зависимость динамической вязкости воды от температуры. 

• Зависимость коэффициента теплопроводности воды от температуры.

3.2 Важнейшие химические свойства воды.   

• При температуре выше 100° С вода постепенно начинает разлагаться на водород и кислород.
• Полярные молекулы воды связываются с ионами и молекулами (сольватируют), образуют гидраты и кристаллогидраты.
• Многие оксиды, соединяясь с водой образуют кислоты и основания.
• Наиболее активные металлы взаимодействуют с водой с выделением водорода.
• Вода взаимодействует со фтором и межгаллоидными соединениями, с солями, образованными слабой кислотой и слабым основанием, вызывая их полный гидролиз; с ангидридами и галогенангидридами карбоновых и неорганических кислот; с активными металлоорганическими соединениями (диэтилцинк, реактив Гриньяра, метилнатрий и т.д.); с карбидами, нитридами, фосфидами, силицидами, гидридами активных металлов (Ca, Na, Li и др.); с боранами, силанами, кетенами, фторидами благородных газов.
• При нагревании вода реагирует с Fe, Mg, C, CH4, с некоторыми алкилгалогенидами.
• Вода - катализатор некоторых реакций, например, реакции Cl₂  с металлами.
• Вода вступает в реакции с амидами, эфирами карбоновых кислот, ацетиленом и другими алкинами, алкенами, нитрилами на катализаторах.
• Вода образует клатраты - соединения без химических связей. Так вода реагирует с газами, которые заполняют полости в ее структуре.
• Важнейшая реакция воды - синтез крахмала растениями с выделением O₂.  

3.3 Аномалии воды.  

Почти все физико-химические свойства воды представляют исключения в сравнении с гидратами элементов VI группы. Вероятно, именно благодаря этому стала возможна жизнь:

• При замерзании вода расширяется, а не сжимается, как все другие жидкости. Лед со структурой Ih (см. фазовую диаграмму льда, рисунок 22) при одинаковом давлении имеет на 10% меньшую плотность, чем жидкая вода. Именно поэтому айсберги способны плавать. Большая часть льда на земле имеет Ih-структуру. Благодаря этому зимой верхние слои водоемов не смешиваются и вода в них не промерзает на всю глубину вместе со всеми обитателями. И все же есть небольшое количество "тяжелого" льда Ic тонущего в жидкой воде.

• С ростом давления на каждые 130 атм. температура замерзания воды уменьшается на 1о С. Поэтому вода в жидком виде существует на больших глубинах в морях при температурах значительно ниже 0°С.

• Cогласно периодическому закону Д.И.Менделеева в ряду гидридов серы, селена и теллура вода должна была бы иметь температуру замерзания -90° С, а кипения - плюс 70° С, что, как мы знаем, не так.

• Удельная теплоемкость воды в 5-10 раз выше, чем у других природных веществ. Теплоемкость лития и древесины приближается к воде и лишь у аммиака она выше. Благодаря высокой теплоемкости вода является мощнейшим энергоносителем и регулятором температуры поверхности на Земле. Вода медленно охлаждается ночью и медленно нагревается днем. Аналогично при смене времен года. Для того, чтобы испарить 1 г воды требуется 537 калорий. Если бы водородные связи у воды были сильнее или слабее, то картина нашего мира была бы совершенно иной.

• Удельная теплоемкость воды уменьшается при повышении температуры от 0 до 37° С, тогда как у других веществ (кроме ртути, где идет монотонное уменьшение) она увеличивается. Выше 37° С теплоемкость воды увеличивается, как и положено жидкостям. Только у воды есть "температурная яма" при 37° С, в которой она быстрее всего нагревается и охлаждается благодаря минимальной теплоемкости. Заметим, что температура тела человека равна 36,6° С, т.е. организм человека, как водная система, как раз и находится практически в это "яме". В жидком виде вода в 2 раза более теплоемка, чем лед или пар.

• Плотность дистиллированной воды при нагреве от 0 до 100° С проходит через максимум при 4° С. У других жидкостей плотность при нагревании монотонно уменьшается.

• Воду можно переохладить до температур значительно ниже точки плавления льда, сохранив ее при этом в жидком виде. Вообще, ледовые кристаллы могут образоваться только в метастабильной "переохлажденной" воде. В природе и лаборатории дистиллированная вода может достичь глубокого переохлаждения при условии полной ее неподвижности и отсутствия центров кристаллизации - пылинок, кристалликов льда и т.п. Так, дегазованная дистиллированная вода может быть переохлаждена до -70° С. Но от легкого встряхивания или попадания пылинки такая вода мгновенно превращается в лед.

При -50° С вода может существовать в виде мельчайших капель и внутри тонких капилляров.

При -30° С вода в жидком виде может находиться в облаках.

• Нагретая вода замерзает быстрее охлажденной, что не находит пока строгого и убедительного объяснения (парадокс Мпембы).

• Удельная теплота плавления льда необыкновенно высокая. Вода и лед при 0о С различаются между собой по содержанию скрытой энергии на 333*103 Дж. С повышением температуры удельная теплота плавления не увеличивается, а уменьшается на 2,1 Дж/°С.

• Вязкость воды при температурах ниже 30° С имеет параболическую зависимость от давления. Для всех веществ вязкость уменьшается с ростом температуры и увеличивается с ростом давления.

• В капиллярах, диаметр которых близок к 10-9 м, вода резко увеличивает вязкость, уплотняется в 1,5 раза и замерзает при температурах ниже минус 73° С. Молекулы воды в нанотрубках при температуре минус 23° С и давлении 40000 атм. выстраиваются в спиральные "лесенки", напоминающие двойные спирали.

• Диэлектрическая проницаемость у воды чрезвычайно велика, наивысшая, среди жидкостей и равна 81 (у льда при минус 5° С она равна 73). У большинства жидкостей она равна 2-8 и лишь у некоторых спиртов - 27-35. Вследствие этого вода обладает большей растворяющей способностью, чем другие жидкости.

• Коэффициент преломления света водой равен 1,333 для длины волны 580 нм при температуре плюс 20° С, вместо требуемого теорией значения 9.

• Удельная теплоемкость водяного пара до температуры плюс 500° С отрицательна, т.е. пар при сжатии остается прозрачным, а при разрежении превращается в туман (сгущается).

• Удельная теплота парообразования воды при понижении температуры увеличивается, достигая при 0° С очень высокого значения 25*105 Дж/кг.

• Вода обладает самым высоким, за исключением ртути, поверхностным натяжением среди жидкостей (0,0727 Н/м при 20° С). Связанное с ним явление капиллярности очень важно для объектов биосферы.

• Существовали исследования "четвертой фазы воды". Так, известный отечественный физико-химик Дерягин предположил существование "аномальной воды", имеющей плотность на 40% выше нормальной и кипящей при температуре 300° С. Позднее он опроверг свои исследования, объяснив их "неряшливо поставленными экспериментами". В то же время, американский профессор Д.Поллак также говорил об "аномальной воде".

Строение молекулы и структура воды в жидком, твердом и газообразном виде.