Реферат: Вода. Тяжелая вода

Содержание

1. Вода в природе                                                                        стр. 3

2. Физические свойства воды                                                      стр.3

3. Диаграмма состояния воды                                                     стр.6

4. Химические свойства воды                                                     стр.8

5. Тяжелая вода                                                                            стр.10

6. Библиография                                                                          стр.11

<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language: AR-SA;mso-no-proof:yes">

1.Вода в природе.Вода— весьма распространенноена Земле вещество. Почти3/4 поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки и озера. Много водынаходится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромныхмасс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярныхстранах. В недрах земли также находитcя вода,пропитывающая почву и горные породы.

Природная водане бывает совершенно чистой. Наиболее чи­стойявляется дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает извоздуха.

Количествопримесей в пресных водах обычно лежит в преде­лах от0,01 до0,1% (масс.). Морская вода содержит3,5%(масс.) растворенных веществ, главную массу которыхсоставляет хлорид натрия (поваренная соль).

Вода, содержащаязначительное количество солей кальция и магния,называется жесткой в отличие от мягкой воды, на­пример дождевой.Жесткая вода дает мало пены с мылом, а на стенках котлов образует накипь.

Чтобы освободитьприродную воду от взвешенных в ней частиц, еефильтруют сквозь слой пористого вещества, например, угля, обожженной глины и т.п. При фильтровании больших количеств водыпользуются фильтрами из песка и гравия. Фильтры задер­живаюттакже большую часть бактерий. Кроме того, для обезза­раживания питьевой воды еехлорируют; для полной стерилизации воды требуетсяне более0,7 гхлора на1тводы.

Фильтрованиемможно удалить из воды только нерастворимые примеси.Растворенные вещества удаляют из нее путем перегонки (дистилляции) или ионного обмена.

Вода имеет оченьбольшое значение в жизни растений, животных ичеловека. Согласно современным представлениям, само происхождение жизни связывается сморем. Во всяком организме вода представляет собойсреду, в которой протекают химические процессы, обеспечивающиежизнедеятельность организма; кроме того, она самапринимает участие в целом ряде биохимических реакций.

2. Физическиесвойства воды.Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость. Плотность воды припереходе ее из твердого состояния в жидкое неуменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании водыот 0 до 4°С плотностьее также увеличивается. При 4°С вода имеетмаксимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании ее плотностьуменьшается.

Если бы припонижении температуры и при переходе из жид­кого состояния в твердое плотностьводы изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ,то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались. бы до 0°Си опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, и так продолжалось быдо тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0°С. Далее воданачинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоемпромерзал бы на всю его глубину. При этом многие формы жизни в воде были быневозможны. Но так как наибольшей плотность вода достигает при4 °С, то перемещение ее слоев, вызываемоеохлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшемпонижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остаетсяна поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшегоохлаждения и замерзания.

Большое значениев жизни природы имеет и тот факт, что вода. обладает аномально высокойтеплоемкостью[4,18 Дж/(г<img src="/cache/referats/2923/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1026">)], Поэтому.в ночное время, атакже при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или припереходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким образом,регулято­ром температуры на земном шаре.

В связи с тем,что при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, давление понижаеттемпературу плавления льда. Эта вытекает из принципа Ле Шателье. Действительно,пусть. лед и жидкая вода находятся в равновесии при О°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 вызываетпревращение льда в жидкость, а это и означает, что тем­пература плавления льдаснижается.

Молекула водыимеет угловое строение; входящие в ее состав ядра образуют равнобедренныйтреугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине— ядро атома кислорода, Межъядерные расстоянияО—Н близки к0,1 нм, расстояниеме­жду ядрами атомов водорода равно примерно0,15 нм. Из восьми электронов,составляющих внешний электронный слой атома кислородав молекуле воды

<span Tms Rmn",«serif»"><img src="/cache/referats/2923/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1027">

<span Tms Rmn",«serif»">

две электронные пары образуютковалентные связи О—Н,  а остальные четыреэлектрона представляют собой две неподеленных электронных пары.

Атом кислорода вмолекуле воды находится в состоянии<img src="/cache/referats/2923/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1028">-ãèáðèäèçàöèè.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 <img src="/cache/referats/2923/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> смещены относительно ядра атома и создаютдва отрицательных полюса

<span Tms Rmn",«serif»"><img src="/cache/referats/2923/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1025">

Молекулярнаямасса парообразной воды равна18 иотвечает ее простейшей формуле. Однако молекулярная масса жидкой воды, определяемая путем изучения ее растворов в другихрастворителях оказывается более, высокой. Это свидетельствует о том, что в жидкойводе происходит ассоциация молекул, т. е. соединениеих в более сложные агрегаты. Такой вывод подтверждается и аномально высокимизначениями температур плавления и кипения воды. Ассоциация молекул воды вызвана образованиеммежду ними водородных связей.

В твердой воде(лед) атом кислорода каждой молекулы уча­ствует в образовании двух водородныхсвязей с соседними молекулами воды согласно схеме,

<span Tms Rmn",«serif»"><img src="/cache/referats/2923/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1030">

<span Tms Rmn",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">                             <span Tms Rmn",«serif»"><img src="/cache/referats/2923/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1031">

<span Tms Rmn",«serif»">

в которойводородные связи показаны пунктиром. Схема объемной структуры льда изображенана рисунке. Образование водо­родных связей приводитк такому расположению молекул воды, при котором онисоприкасаются друг с другом своими разноимен­ными полюсами. Молекулы образуютслои, причем каждая из них связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому жеслою, и с одной— из соседнего слоя. Структура льда принадлежит кнаименее плотным структурам,в ней существуют пустоты, раз­меры наименее плотным структурам, в нейсуществуют пустоты, раз­меры которых несколько превышают размеры молекулы<img src="/cache/referats/2923/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1034">

При плавлениильда его структура разрушается. Но и в жид­кой воде сохраняются водородныесвязи между молекулами: обра­зуются ассоциаты—как бы обломки структуры льда,—состоящих из большего или меньшего числа молекул воды. Однако в отличит от льдакаждый ассоциат существует очень короткое время: по­стоянно происходитразрушение одних и образование других агре­гатов. В пустотах таких «ледяных»агрегатов могут размещаться одиночные молекулы воды; при этом упаковка молекулводы ста­новится более плотной. Именно поэтому при плавлении льда объем,занимаемый водой, уменьшается, а ее плотность возрастает.

По меренагревания воды обломков структуры льда в ней становится все меньше, чтоприводит к дальнейшему повышению плотности воды. В интервале температур от0до4°Сэтот эффект преобладает над тепловым расширением, так что плотность водыпродолжает возрастать. Однако при нагревании выше4°С преобладает влияние усиления теплового движения молекул иплотность воды уменьшается. Поэтому при 4°С вода обладает максимальнойплотностью.

При нагреванииводы часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей (энергия разрываводородной связи в воде составляет примерно25кДж/моль). Этим объясняется высокая теплоемкость воды.

Водородные связимежду молекулами воды полностью разры­ваются только при переходе воды в пар.

3. Диаграммасостояния воды.Диаграмма состояния (или фазовая диаграмма) представляет собойграфическое изображение зависимости между величинами, характеризующимисостояние системы, и фазовыми превращениями в системе (переход из твердогосостояния в жидкое, из жидкого в газообразнойи т. д.). Диаграммысостояния широко применяются в химии. Для однокомпонентных систем обычноиспользуются диаграммы состояния, показывающие зависимость фазовых превращенийот температуры и давления; они называются диаграммамисостояния в координатах Р—Т.

На рисунке приведена всхематической форме (без строгого соблюдения масштаба) диаграмма состоянияводы. Любой точке на диаграмме отвечают определенные значения температуры идавления.

Диаграммапоказывает те состояния воды, которые термодинамически устойчивы при определенныхзначениях температуры и давления. Она состоит из трех кривых, разграничивающихвсе возможные температуры и давления на три области, отвечающие льду, жидкостии пару.

<span Tms Rmn",«serif»"><img src="/cache/referats/2923/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1032">

Рассмотримкаждую из кривых более подробно. Начнем с кривой ОА (рис.73), отделяющей областьпара от области жидкого состояния. Представим себе цилиндр, из которого удаленвоздух, после чего в него введено некоторое количество чистой, свободной отрастворенных 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, чтооно не изменяется с течением времени и не зависит от положения поршня. Еслиувеличить температуру всей системы и вновь измерить давление насыщенного пара,то окажется, что оно возросло. Повторяя такие измерения при различныхтемпературах, найдем зависимость давления насыщенного водяного пара оттемпературы. Кривая ОА представ­ляетсобой график этой зависимости: точки кривой показывают те пары значенийтемпературы и давления, при которых жидкая вода и водяной пар находятся вравновесии друг с другом— сосуществуют.Кривая ОА называется кривойравновесия жидкость—пар или кривой кипения. В таблице приведенызначения давления насыщенного водяного пара при нескольких температурах.

<span Tms Rmn",«serif»"><img src="/cache/referats/2923/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1033">

Температура

Давление насыщенного пара

Температура

Давление насыщенного пара

кПа

мм рт. ст.

кПа

мм рт. ст.

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

Попытаемсяосуществить в цилиндре давление, отличное от равновесного, например, меньшее,чем равновесное. Для этого осво­бодим поршень и поднимем его. В первый моментдавление в ци­линдре, действительно, упадет, но вскоре равновесиевосстановится: испарится добавочно некоторое количество воды и давление вновьдостигнет равновесного значения. Только тогда, когда вся вода испарится, можноосуществить давление, меньшее, чем равновес­ное. Отсюда следует, что точкам,лежащим на диаграмме состоя­ния ниже или правее кривой ОА, отвечает область пара. Еслипытаться создать давление, превышающее равновесное, то этого можно достичь,лишь опустив поршень до поверхности воды. Иначе говоря, точкам диаграммы,лежащим выше или левее кривой ОА, отвечает область жидкого состояния.

До каких порпростираются влево области жидкого и парооб­разного состояния? Наметим по однойточке в обеих областях и будемдвигаться от них горизонтально влево. Этому движению точек на диаграммеотвечает охлаждение жидкости или пара при постоянном давлении. Известно, чтоесли охлаждать воду при нормальном атмосферном давлении, то при достижении 0°Свода начнет замерзать. Проводя аналогичные опыты при других давлениях, придем ккривой ОС, отделяющей область жидкойводы от области льда. Эта кривая— криваяравновесия твердое состояние— жидкость,или кривая плавления,— показывает те пары значений температуры идавления, при которых лед и жид­кая вода находятся в равновесии.

Двигаясь погоризонтали влево в области пара (в нижнею части диаграммы), аналогичнымобразом придем к кривой 0В. Это—кривая равновесия твердое состояние—пар, или криваясублимации. Ей отвечают те пары значений температуры к давления, прикоторых в равновесии находятся лед и водяной пар.

Все три кривыепересекаются в точке О. Координатыэтой точки—это единственная пара значенийтемпературы и давления,. при которых в равновесии могут находиться все трифазы: лед, жидкая вода и пар. Она носит название тройной точки.

Кривая плавленияисследована до весьма высоких давлений, В этой области обнаружено несколькомодификаций льда (на диаграмме не показаны).

Справа криваякипения оканчивается в критической точке.При температуре, отвечающей этой точке,—критической температуре— величины, характеризующие физические свойстважидкости и пара, становятся одинаковыми, так что различие между жидким ипарообразным состоянием исчезает.

Существованиекритической температуры установил в1860г. Д. И. Менделеев, изучая свойства жидкостей. Он показал, что притемпературах, лежащих выше критической, вещество не может находиться в жидкомсостоянии. В1869 г. Эндрьюс, изучаясвойства газов, пришел к аналогичному выводу.

Критическиетемпература и давление для различных веществ различны. Так, для водорода <img src="/cache/referats/2923/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1035"> = —239,9 °Ñ, <img src="/cache/referats/2923/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1036">= 1,30 МПа, для хлора <img src="/cache/referats/2923/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1037"><img src="/cache/referats/2923/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1038"><img src="/cache/referats/2923/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1039"><span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-no-proof:yes">= 374,2 °С,

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">    <img src="/cache/referats/2923/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1040"><span Arial",«sans-serif»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-no-proof:yes">=<span Arial",«sans-serif»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-no-proof:yes">22,12<span Arial",«sans-serif»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> МПа.

Одной изособенностей воды, отличающих ее от других веществ, является понижениетемпературы плавления льда с ростом давления.Это обстоятельство отражается на диаграм­ме. Кривая плавления ОС на диаграмме состояния воды идетвверх влево, тогда как почти для всех других веществ она идет вверх вправо.

Превращения,происходящие с водой при атмосферном давле­нии, отражаются на диаграмме точкамиили отрезками, располо­женными на горизонтали, отвечающей101,3 кПа(760мм рт. ст.). Так, плавление льда или кристаллизация воды отвечает точкеD,кипение воды—точке Е,нагревание или охлаждение воды— отрезкуDEи т. п.

Диаграммысостояния изучены для ряда веществ, имеющих научное или практическое значение.В принципе они подобны рассмотренной диаграмме со­стояния воды. Однако надиаграммах состояния различных веществ могут быть особенности. Так, известнывещества, тройная точка которых лежит при давле­нии,превышающем атмосферное. В этом случае нагревание кристаллов при ат­мосферномдавлении приводит не к плавлению этого вещества, а к его сублимации - превращениютвердой фазы непосредственно в газообразную.

4.Химические свойства воды. Молекулы воды отличаются большой устойчивостью кнагреванию. Однако при температурах выше1000 °Ñ водяной пар начинаетразлагаться на водород и кислород:

2Н<img src="/cache/referats/2923/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1041"><img src="/cache/referats/2923/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1042"><img src="/cache/referats/2923/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1043"><img src="/cache/referats/2923/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1044">

Процессразложения вещества в результате его нагревания называетсятермической диссоциацией. Термическая диссоциация воды протекает с поглощениемтеплоты. Поэтому, согласно принципу Ле Шателье, чем выше температура, тем в большей степениразлагается вода. Однако даже при2000 °Ñ степень термической диссоциации водыне превышает2%, т.е. равновесие междугазообразной водой и продуктами ее диссоциации—водородом и кислородом— все еще остаетсясдвинутым в сторону воды. При охлаждении же ниже1000 °Ñ равновесие практически полностью сдвигается в этом направлении.

Вода— весьма реакционноспособное вещество. Оксидымногих металлов и неметаллов соединяются с водой, образуя основания и кислоты;некоторые соли образуют с водой кристаллогидраты;наиболее активные металлы взаимодействуют с водой с выделением водорода.

Вода обладает также каталитической способностью. В отсутствие следоввлаги практически 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 обычныхусловиях в газообразном состоянии, образуя при этом так: называемые гидратыгазов. Примерами могут служить соединения Хе<img src="/cache/referats/2923/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1045">6Н<img src="/cache/referats/2923/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1046">CI<img src="/cache/referats/2923/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1047"><img src="/cache/referats/2923/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1048">8H<img src="/cache/referats/2923/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1049">O,С<img src="/cache/referats/2923/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1050"><img src="/cache/referats/2923/image029.gif" v:shapes="_x0000_i1051"><img src="/cache/referats/2923/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1052"><img src="/cache/referats/2923/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1053"><img src="/cache/referats/2923/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1054"><img src="/cache/referats/2923/image033.gif" v:shapes="_x0000_i1055"><img src="/cache/referats/2923/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1056"><img src="/cache/referats/2923/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1057">0до24°С (обычно при повышенном давлении соответствующего газа). Подобные соединениявозникают в результате заполнения молекулами газа («гостя») межмолекулярныхполостей, имеющихся в структуре воды («хозяина»); они называются соединениями включения или клатратами.

В клатратных соединениях между молекулами «гостя» и «хозяина»образуются лишь слабые межмолекулярные связи; включенная молекула не можетпокинуть своего места в полости кристалла преимущественно из-запространственных затруднений Поэтому клатраты— неустойчивые соединения, которые могутсуществовать лишь при сравнительно низких температурах.

Клатраты используют для разделения углеводородов и благо­родных газов.В последнее время образование и разрушение клатратов газов (пропана и некоторыхдругих) успешно применяется для обессоливания воды. Нагнетая в соленую воду приповышенном давлении соответствующий газ, получают льдоподобные кристаллыклатратов, а соли остаются в растворе. Похожую на снег массу кристалловотделяют от маточного раствора и промывают, Затем при некотором повышении температурыили уменьшении давления клатраты разлагаются, образуя пресную воду и исход­ныйгаз, который вновь используется для получения клатрата. Высокая экономичность исравнительно мягкие условия осуществления этого процесса делают егоперспективным в качестве промышленного метода опреснения морской воды.

5. Тяжелая вода. При электролизе обычнойводы, содержащей наряду с молекулами Н<img src="/cache/referats/2923/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1058">D<img src="/cache/referats/2923/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1059">O,образованных тяжелым изотопом водорода, разложениюподвергаются преимущественно молекулы Н<img src="/cache/referats/2923/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1060">D<img src="/cache/referats/2923/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1061">O.Из такого остатка после многократного повторенияэлектролиза в1933 г. впервые удалосьвыделить небольшое количество воды

состоящей почти на100% измолекулD<img src="/cache/referats/2923/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1062">

По своим свойствам тяжелаявода заметно отличается от обычной воды (таблица).Реакции с тяжелой водой протекают медленнее, чем с обычной. Тяжелую водуприменяют в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах.

Константа

Н<img src="/cache/referats/2923/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1063">

D<img src="/cache/referats/2923/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1064">

Молекулярная масса

18

20

Температура замерзания, °С,

3,8

Температура кипения, °С,

100

101,4

Плотность при 25°С, г/см Температура максимальной плотности, °С

0,9971

4

1,1042 11,6

Библиография

1. Д.Э., Техника и производство. М., 1972г

2. Хомченко Г.П., Химия дляпоступающих в ВУЗы. М., 1995г.

3. Прокофьев М.А., Энциклопедическийсловарь юного химика. М., 1982г.

4. Глинка Н.Л., Общая химия.Ленинград, 1984г.

5.Ахметов Н.С., Неорганическая химия. Москва,1992г.

еще рефераты
Еще работы по химии