Роль воды вприроде

Роль воды в природе

 

Содержание

Введение………………………………………………………………………………...3

1. Водная среда…………………………………………………………………………4

2. Физические свойства воды………………………………………………………….6

3. Химические свойства воды……….………………………………………………10

4. Круговорот воды в природе………………………………………………………..12

5. Серебряная и талая вода…………………………………………………………...14

6. «Кластерная вода» и «Сверхионизированная вода»……………………………..16

7. Вода и Золотое сечение…………………………….………………………………17

8. Вода- это жизнь……………………….…………………………………………….19

Заключение………………………………………………………….…………………21

Список литературы……………………………………………………………………22

 

Введение

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. Из нее в основном состоят почти  все живые существа, да и сама жизнь, по гипотезе Опарина, зародилась в теплом первобытном океане. Вода является одним из наиболее распространенных веществ на Земле и покрывает  большую часть поверхности нашей  планеты (74%).

 Воде принадлежит важнейшая  роль в геологии, истории планеты.  Без воды невозможно существование  живых организмов. Тело человека почти на 63% - 68% состоит из воды. Практически все биохимические реакции в каждой живой клетке – это реакции в водных растворах.

Вода образует океаны, моря, реки и озера. 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. Твёрдой  водой – снегом и льдом –  покрыто 20% суши.  В недрах земли  также находится вода, пропитывающая  почву и горные породы. Общие запасы воды на Земле составляют 1454,3 млн.  куб. км (из них менее 2% относится  к пресным водам, а доступны для  использования 0,3%).

От воды зависит климат планеты. 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.

 

1. Водная среда

Водная среда включает поверхностные и подземные воды. Поверхностные воды в основном сосредоточены  в океане, содержанием 1 млрд. 375 млн. куб. км - около 98% всей воды на Земле. Поверхность  океана (акватория) составляет 361 млн. кв. км. Она примерно в 2,4 раза больше площади  суши территории, занимающей 149 млн. кв. км. Вода в океане соленая, причем большая  ее часть (более 1 млрд. куб. км) сохраняет  постоянную соленость около 3,5% и  температуру, примерно равную 3,7 ^oС. Заметные различия в солености и температуре наблюдаются почти исключительно в поверхностном слое воды, а также в окраинных и особенно в средиземных морях. Содержание растворенного кислорода в воде существенно уменьшается на глубине 50-60 м.

Подземные воды бывают солеными, соленоватыми (меньшей солености) и пресными; существующие геотермальные воды имеют повышенную температуру (более 30 ^oС). Для производственной деятельности человечества и его хозяйственно-бытовых нужд требуется пресная вода, количество которой составляет всего лишь 2,7% общего объема воды на Земле, причем очень малая ее доля (всего 0,36%) имеется в легкодоступных для добычи местах. Большая часть пресной воды содержится в снегах и пресноводных айсбергах, находящихся в районах в основном Южного полярного круга. Годовой мировой речной сток пресной воды составляет 37,3 тыс. куб. км. Кроме того, может использоваться часть подземных вод, равная 13 тыс. куб. км. К сожалению, большая часть речного стока в России, составляющая около 5000 куб. км, приходится на малоплодородные и северные малозаселенные территории. При отсутствии пресной воды используют соленую поверхностную или подземную воду, производя ее опреснение или гиперфильтрацию: пропускают под большим перепадом давлений через полимерные мембраны с микроскопическими отверстиями, задерживающими молекулы соли. Оба эти процесса весьма энергоемки, поэтому представляет интерес предложение, состоящее в использовании в качестве источника пресной воды пресноводных айсбергов (или их части), которые с этой целью буксируют по воде к берегам, не имеющим пресной воды, где организуют их таяние. По предварительным расчетам разработчиков этого предложения, получение пресной воды будет примерно вдвое менее энергоемки по сравнению с опреснением и гиперфильтрацией. Важным обстоятельством, присущим водной среде, является то, что через нее в основном передаются инфекционные заболевания (примерно 80% всех заболеваний). Впрочем, некоторые из них, например коклюш, ветрянка, туберкулез, передаются и через воздушную среду.

 

 

2. Физические свойства воды

Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 4°С плотность её также увеличивается. При 4˚С вода имеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании её плотность уменьшается.

Если бы при понижении  температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались бы до 0°С и опускались на дно, освобождая место более тёплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоёма не приобрела бы температуру 0°С. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоём промерзал бы на всю его глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотности вода достигает при 4°С, то перемещение ее слоёв, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлаждённый слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.

Большое значение в жизни  природы имеет и тот факт, что  вода обладает аномально высокой  теплоёмкостью [4,18 Дж/(гК)], поэтому в ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким образом, регулятором температуры на земном шаре.

В связи с тем, что при  плавлении льда объём, занимаемый водой, уменьшается, давление понижает температуру  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 температуре занимает меньший объем. Этой фазой является в данном случае жидкость. Таким образом, 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 образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся  два протона, а в вершине —  ядро атома кислорода. Межъядерные  расстояния О—Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно примерно 0,15 нм.

Две электронные пары образуют ковалентные связи О—Н,  а остальные четыре электрона представляют собой две неподелённых электронных пары.

Валентный угол НОН (104°31') близок к тетраэдрическому (109,5°). Электроны, образующие связи О—Н, смещены к более электроотрицательному атому кислорода. В результате атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды, так что на этих атомах создаются два положительных полюса. Центры отрицательных зарядов неподелённых электронных пар атома кислорода, находящиеся на гибридных - орбиталях, смещены относительно ядра атома и создают два отрицательных полюса.

 

Молекулярная масса парообразной воды равна 18 и отвечает её 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. Такой вывод подтверждается и аномально высокими значениями температур плавления и кипения воды. Ассоциация молекул воды вызвана образованием между ними водородных связей.

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

               

в которой водородные связи  показаны пунктиром. Схема объемной структуры льда изображена на рисунке. Образование водородных связей приводит к такому расположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другом своими разноимёнными полюсами. Молекулы образуют слои, причём каждая из них связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной — из соседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы.

При плавлении льда его  структура разрушается. Но и в  жидкой воде сохраняются водородные связи между молекулами: образуются ассоциаты — как бы обломки структуры льда, — состоящие из большего или меньшего числа молекул воды. Однако в отличие ото льда каждый ассоциат существует очень короткое время: постоянно происходит разрушение одних и образование других агрегатов. В пустотах таких «ледяных» агрегатов могут размещаться одиночные молекулы воды; при этом упаковка молекул воды становится более плотной. Именно поэтому при плавлении льда объём, занимаемый водой, уменьшается, а её плотность возрастает.

По мере нагревания воды, обломков структуры льда в ней  становится все меньше, что приводит к дальнейшему повышению плотности  воды. В интервале температур от 0 до 4°С этот эффект преобладает над тепловым расширением, так что плотность воды продолжает возрастать. Однако при нагревании выше 4°С преобладает влияние усиления теплового движения молекул и плотность воды 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 при переходе воды в пар.

 

 

3. Химические свойства воды

 Молекулы воды отличаются  большой устойчивостью к нагреванию. Однако при температурах выше 1000 °Ñ водяной пар начинает разлагаться на водород и кислород.

Процесс разложения вещества в результате его нагревания называется термической диссоциацией. Термическая диссоциация воды протекает с поглощением теплоты. Поэтому, согласно принципу Ле Шателье, чем выше температура, тем в большей степени разлагается вода. Однако даже при 2000°Ñ степень термической диссоциации воды не превышает 2%, т.е. равновесие между газообразной водой и продуктами ее диссоциации — водородом и кислородом — все еще остается сдвинутым в сторону воды. При охлаждении же ниже 1000 °Ñ равновесие практически полностью сдвигается в этом направлении.

Вода — весьма реакционноспособное  вещество. Оксиды многих 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 следов влаги практически не протекают  некоторые обычные реакции; например, хлор не взаимодействует с металлами, фтороводород не разъедает стекло, натрий не окисляется в атмосфере воздуха.

Вода способна соединяться  с рядом веществ, находящихся  при обычных условиях в газообразном состоянии, образуя при этом так  называемые гидраты газов, которые  выпадают в виде кристаллов при температурах от 0 до 24 °С (обычно при повышенном давлении соответствующего газа). Подобные соединения возникают в результате заполнения молекулами газа («гостя») межмолекулярных полостей, 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 может покинуть своего места в полости кристалла преимущественно из-за пространственных затруднений, поэтому клатраты — неустойчивые соединения, которые могут существовать лишь при сравнительно низких температурах.

Клатраты используют для разделения углеводородов и благородных газов. В последнее время образование и разрушение клатратов газов (пропана и некоторых других) успешно применяется для обессоливания воды. Нагнетая в солёную воду при повышенном давлении соответствующий газ, получают льдоподобные кристаллы клатратов, а соли остаются в растворе. Похожую на снег массу кристаллов отделяют от маточного раствора и промывают, затем при некотором повышении температуры или уменьшении давления клатраты разлагаются, образуя пресную воду и исходный газ, который вновь используется для получения клатрата. Высокая экономичность и сравнительно мягкие условия осуществления этого процесса делают его перспективным в качестве промышленного метода опреснения морской воды.