Фізико-хімічні характеристики води - Очищення води в Україні

Чиста вода - безбарвна прозора рідина, без запаху і смаку. За нормального атмосферного тиску при 0°С вона замерзає і перетворюється у лід, а при 100°С - кипить, перетворюючись у пару. У газоподібному стані вода існує і за нижчої температури, навіть нижче 0°С. Тому лід і сніг теж поступово випаровуються.

У рідкому стані вода практично не стискається, у замерзлому стані розширюється на 1/11 від свого об'єму.

Найбільшу густину вода має при +4°С. Масу 1 см3 чистої води при цій температурі прийняли за одиницю і назвали грамом (сучасне визначення грама основане на точнішому еталоні). На відміну від інших рідин, вода при охолодженні від + 4 до 0°С розширюється. Тому лід легший від води (на 8%) і не тоне у ній. Завдяки цьому, а також малій теплопровідності шар льоду захищає глибокі водойми від промерзання до дна, і цим забезпечується у них життя.

Потрійна точка води, тобто умови, за яких одночасно у рівноважному стані можуть співіснувати вода, лід та пара, реалізується при температурі 0.01 OC і тиску 611.73 Па.

За правилом фаз для однокомпонентної термодинамічної системи потрійна точка єдина.

Співіснування фаз у нерівноважних системах.

Твердження про єдиність точки співіснування різних фаз може викликати подив, оскільки начебто суперечить тому, що ми бачимо в повсякденному житті. Сидячи задушливого дня і попиваючи прохолоджуючий напій із льодом, ми спостерігаємо всі три агрегатні стани води: пару, лід і рідину. Пояснення такого явища полягає в тому, що в цих умовах термодинамічна рівновага ще не встановилася: лід у склянці ще не розстанув і вода ще не випарувалася [1].

Поглинаючи енергію Сонця, океан виконує функцію "земної теплоцентралі". Як гігантський теплообмінник, він визначає клімат нашої планети. Він же комора харчової та мінеральної сировини й енергетичних ресурсів, а його транспортні шляхи -- найбільш дешеві й необмежено розгалужені.

Могутність океану, його вічно мінлива краса, що на обрії єднається з небесною, чарує наш зір і сповнює нашу душу відчуттям величі космічного людського буття. Під цим терміном розуміють водневу поверхню (оболонку) Землі. На відміну від атмосфери, гідросфера не суцільна, а складається з окремих частин: Світового океану та водних басейнів на суходолі (річок й озер, підземних вод, льодовиків). Вода -- найбільш поширена речовина на Землі. Загальна маса гідросфери -- понад трильйон тонн (1018 т), що становить 0,034 % маси Землі, а її поверхня займає близько 4/5 земної кулі. Усі види води гідросфери становлять єдину систему, пов'язану в планетарний кругообіг просторово й за фазовими перетвореннями (тверде -- рідке -- пара). Останнє є унікальною властивістю води. З усіх речовин біосфери в діапазоні температур існування живих організмів тільки вода може існувати в трьох агрегатних станах (фазах): вода -- лід, вода -- рідина та вода -- газ. Вода існує повсюдно. Сучасні дослідження виявили воду на інших планетах Сонячної системи й навіть за її межами -- у таких космічних тілах, як комети, а також і на Місяці. Не випадково стародавні філософи вважали, що вода є одним з чотирьох первинних елементів Природи поряд із Землею, Повітрям і Вогнем. Таке уявлення існувало ще за Середньовіччя. Тільки 1781 р. американський хімік Кавендіш показав, що вода утворюється під час згоряння водню. І лише 1860 р. італієць Канніццаро встановив хімічну формулу води -- Н2О. Агрегатний стан води залежить від температури й тиску. Аномальною характеристикою води є й те, що максимального значення густини вона набуває за охолодження її до + 4°С (р = 1000 кг/м3), а за подальшого охолодження аж до замер-зання густина зменшується. Отже, за такої самої маси об'єм льоду більший, ніж води, завдяки чому крига не тоне у воді. Ця специфічна властивість забезпечує існування водяної флори та фауни і взимку, оскільки річки, озера, моря й океани ніколи не промерзають до самого дна. Пояснення цієї унікальної аномалії слід шукати у змінах структурно-хімічної будови води за змін агрегатного стану.

Атоми водню та кисню в молекулі води у фазі пари зв'язані ковалентно. Отже, пара води є системою ізольованих молекул Н2О. У рідкому та твердому станах молекули води, маючи значний ди-польний момент, можуть взаємодіяти одна з одною, утворюючи чотири так звані водневі зв'язки, з яких два -- як донор протонів (Н+1), і два -- як акцептор протонів. Усі чотири водневі зв'язки молекули води спрямовано (приблизно до вершин правильного тетраедра (або перехресних кутів протилежних граней куба).

Отже, структура льоду -- це тривимірна сітка, подібна до тетраедричної структури атомів вуглецю в кристалі алмазу. Збільшення густини за плавлення льоду й нагрівання води до +4°С пояснюють зменшенням впорядкованості структури водневих зв'язків і їхнім викривленням. Отже, зі зменшенням міжатомної відстані Н--О--Н густина збільшується, але подальше нагрівання послаблює міжатомні зв'язки, що знижує густину.

Однак такого популярного уявлення про міжатомні й міжмолекулярні зв'язки у воді замало для наукового пояснення унікаль-ного комплексу її властивостей.

Зі шкільного курсу хімії нам відомо, що вода в процесі електролізу розкладається на водень і кисень. Це пояснюється дисоціацією частини іонів води з утворенням протилежно заряджених іонів: Н2О> Н+1 + ОН-1. Звернімо увагу, що іон Н+1 являє собою протон. То до якого класу хімічних речовин належить вода? Відповідно до наявності іону Н+ вода є кислотою, водночас іон ОН - зумовлює її належність до лугів. Згідно з теорією Брестеда-Лоура, вода є і кислотою, і лугом, проявляючи більшою мірою ту чи ту якість залежно від умов. Така властивість речовин має назву амфотерність. Отже, вода є амфотерною речовиною: вона може виступати як донор протонів, тобто як кислота, або як акцептор протонів -- основа.

Вода характеризується великою питомою теплоємністю, що дорівнює за означенням калорії 1 кал/г-град. Завдяки цьому температура океанів і морів змінюється досить повільно, і цим регулюється температура на поверхні земної кори. Цим пояснюється також те, що клімат на островах рівномірніший, ніж на материках.

Фізичні властивості води великою мірою зумовлені тим, що молекула води має значний дипольний момент (1,844 Дебая). Завдяки цьому молекули води сильно взаємодіють між собою, що приводить до конденсації при доволі високій температурі. Так, наприклад, набагато важчі молекули кисню і вуглекислого газу при цих температурах конденсованої фази не утворюють. Легкі атоми водню утворюють водневі зв'язки між різними молекулами, зумовлюючи складну взаємозв'язану структуру рідини.

Похожие статьи




Фізико-хімічні характеристики води - Очищення води в Україні

Предыдущая | Следующая