Вода и ее свойства

            Вода входит в состав всех живых организмов, причём в целом в них содержится лишь вдвое меньше воды, чем во всех реках Земли. В живых организмах количество воды, за исключением семян и спор, колеблется между 60 и 99,7% по массе. По словам французского биолога Э. Дюбуа-Реймона, живой организм есть l'eau animee (одушевлённая вода). Все воды Земли постоянно взаимодействуют между собой, а также с атмосферой, литосферой и биосферой.

            Вода в природных условиях всегда содержит растворённые соли, газы и органические вещества. Их количество, состав меняется в зависимости от происхождения воды и окружающих условий. При концентрации солей до 1 г/кг воду считают пресной, до 25 г/кг - солоноватой, свыше - солёной. Наименее минерализованными водами являются атмосферные осадки (в среднем около 10-20 мг/кг), затем пресные озёра и реки (50-1000 мг/кг). Солёность океана колеблется около 35 г/кг; моря имеют меньшую минерализацию (Чёрное 17-22 г/кг; Балтийское 8-16 г/кг; Каспийское 11 - 13 г/кг). Минерализация подземных вод вблизи поверхности в условиях избыточного увлажнения составляет до 1 г/кг, в засушливых условиях до 100 г/кг, в глубинных артезианских водах минерализация колеблется в широких пределах. Максимальная концентрация солей наблюдаются в соляных озёрах (до 300 г/кг) и глубокозалегающих подземных водах (до 600 г/кг).

            В пресных водах обычно преобладают ионы НСО3-, Са2+ и Mg2+. По мере увеличения общей минерализации растёт концентрация ионов SO42-, Cl-, Na+ и К+. В высокоминерализованных водах преобладают ионы Q- и Na+, реже

Mg2+ и очень редко Са2+. Прочие  элементы содержатся в очень  малых количествах, хотя почти  все естественные элементы периодической системы найдены в природных водах.

            Из растворённых газов в природных водах присутствуют азот, кислород, двуокись углерода, благородные газы, редко сероводород и углеводороды. Концентрация органических веществ невелика - в среднем в реках около 20 мг/л, в подземных водах ещё меньше, в океане около 4 мг/л. Исключение составляют ВОДА болотные и нефтяных месторождений и ВОДА, загрязнённые промышленными и бытовыми стоками, где количество их бывает выше. Состав органических веществ чрезвычайно разнообразен и включает различные продукты жизнедеятельности организмов, населяющих воду, и соединения, образующиеся при распаде их остатков.

 

Первоисточниками солей природных  вод являются вещества, образующиеся при химическом выветривании изверженных пород (Ca2+,Mg2+, Na+, К+ и др.), и вещества, выделявшиеся на протяжении всей истории Земли из её недр

(СО2, SO2, НС1, NH3 и др.). От разнообразия  состава этих веществ и условий, в которых происходило их взаимодействие с водой, и зависит её состав. Громадное значение для состава воды имеет и воздействие живых организмов.

 

Физические  свойства и строение воды.

            Важнейшие физ. константы воды приведены в табл. 1.

Свойство	Значение
Плотность, г/см3 лёд	0,9168(0°С)
жидкость	0,99987(0°С) 1,0000(3,98°С) 0,99823(20оС)
пар насыщенный	0,5977 кг/м3(1000С)
Температура плавления	0°С
Температура кипения	100°С
Критическая температуpa	374,15°С
Критическое давление	218,53 кгс/см2
Критическая плотность	0.325 г/см3
Теплота плавления	79,7 кал/г
Теплота испарения	539 кол/г(100°С)
Удельная теплопроводность, кал/(см*сек* град) лёд	5,6*10-3(0°С)
жидкость	1,43*10-3(oC) 1,54*10-3(45сС)
пар насыщенный	5,51*10-5(1000С)
Уд. электропроводность, ом--1*см-1 лёд	0,4*10-8(0°С)
жидкость	1,47*10-5(О°С)  4,41*10-8(18°С) 18,9*10-8(50°С)
Уд. теплоёмкость, кал/(г • град) жидкости	1,00(15°С)
пар насыщенный	0,487(100°С)
Диэлектрическая проницаемость лёд	74,6(0°С)
жидкость	81,0(20°С)
пар насыщенный	1,007(145°С)
Вязкость, спз жидкость	1,7921(0°С) 0,284(100°С)
Поверхностное натяжение жидкой воды на Границе с воздухом, дин/см	74,64(0°С) 62,61(80°С)
Показатель преломления  (D — линия натрия)	1,33299(20°С)
Скорость звука в воде	1,496 м/сек (25°С)

 

 

 

Тройная точка для  воды , где находятся в равновесии жидкая вода, лёд и пар, лежит при температуре + 0,01оС и давлении 6,03*10-3 атм. Многие физические свойства воды обнаруживают существенные аномалии. Как известно, свойства однотипных хим. соединений у элементов, находящихся в одной и той же группе периодической системы Менделеева, изменяются закономерно. В ряду водородных соединений элементов VI группы (Н2Те, H2Se, H2S, Н2О) температуры плавления и кипения закономерно уменьшаются лишь у первых трёх; для воды эти температуры аномально высоки.

            Плотность воды в интервале 4-100°С нормально возрастает, как и у огромного большинства др. жидкостей. Однако, достигнув макс, значения 1,0000 г/см3 при +3,98°С, при дальнейшем охлаждении уменьшается, а при замерзании скачкообразно падает, тогда как почти у всех остальных веществ кристаллизация сопровождается увеличением плотности. Вода способна к значительному переохлаждению, т. е. может оставаться в жидком состоянии ниже температуры плавления (даже при -30°С). Удельная теплоёмкость, удельная теплота плавления и кипения воды аномально высоки по сравнению с другими веществами, причём удельная теплоёмкость воды минимальна при 40°С. Вязкость воды с ростом давления уменьшается, а не повышается, как следовало бы ожидать по аналогии с др. жидкостями. Сжимаемость воды крайне невелика, причём с ростом температуры уменьшается.

             Вода как растворитель. Вода- наиболее универсальный растворите ль. Газы достаточно хорошо растворяются в воде, если способны вступать с ней в химическое взаимодействие (аммиак, сероводород, сернистый газ, двуокись углерода).

Прочие газы мало растворимы в воде. При понижении давления и повышении температуры растворимость газов в воде уменьшается. Многие газы при низких температуpax и повышенном давлении не только растворяются в воде, но и образуют

кристаллогидраты (аргон, криптон, ксенон, хлор, сероводород, углеводороды и др.). В частности, пропан при 10°С и 0,3 мн/м2 (3 кгс/см2) даёт кристаллогидрат С3Н8*17Н2О. При уменьшении давления такие гидраты  распадаются. Кристаллогидраты многих газообразных веществ, образующиеся при низких темп-pax, содержат воду в "пустотах" своих кристаллов.

 

Вода- слабый электролит, диссоциирующий по уравнению: Н2О <= Н+ + ОН-, причём количественной характеристикой электролитической диссоциации В. служит ионное произведение В.:К„= [Н+] [ОН-],где [Н+] и [ОН-]

-концентрация соответствующих  ионов в г-ион/л; Кв составляет 10-14 (22°С) и 72*10-14 (100°С), что соответствует  усилению диссоциации В. с ростом  температуры (см. также Водородный  показатель).

 

             Будучи электролитом, вода. растворяет многие кислоты, основания, минеральные соли. Такие растворы проводят электричество, ток благодаря диссоциации растворённых веществ с образованием гидратированных ионов. Многие вещества при растворении в воде вступают с ней в реакцию обменного разложения, называемую гидролизом. Из органических веществ в воде растворяются те, которые содержат полярные группы (-ОН, -NH2, -СООН и др.) и имеют не слишком большую молярную массу. Сама вода хорошо растворима (или смешивается во всех отношениях) лишь в ограниченном числе органич. растворителей. Однако в виде ничтожной примеси к органическим веществам вода

присутствует практически всегда и способна резко изменять физические константы последних.

Вода любого природного водоёма  содержит в растворённом состоянии различные вещества, преимущественно соли. Благодаря высокой растворяющей способности воды, получить её в чистом виде весьма трудно. Обычно мерой чистоты воды служит её электропроводность. Дистиллированная вода, полученная перегонкой обычной воды, и даже повторно перегнанный дистиллят имеют электропроводность примерно в 100 раз более высокую, чем у абсолютно чистой воды. Наиболее чистую воду получают синтезом из тщательно очищенного кислорода и водорода в специальной аппаратуре.

             В последние годы появились многочисленные сообщения о существенном изменении свойств технической и дистиллированной воды после её протекания с определённой скоростью в магнитных полях оптимальной (весьма, невысокой) напряжённости. Эти изменения носят временный характер и через 10-25 часов постепенно и самопроизвольно исчезают. Отмечается, что после такой "магнитной обработки" ускоряются процессы кристаллизации растворённых в воде веществ, адсорбции, изменяется смачивающая способность воды и др. Хотя теоретическое объяснение этих явлений пока отсутствует, они уже находят широкое практическое применение - для предотвращения  образования накипи в паровых котлах, для улучшения процессов флотации, очистки воды от взвесей и др.

             Образование и диссоциация воды. Образование воды при взаимодействии водорода с кислородом сопровождается выделением теплоты 286 кДж/моль (58,3 ккал/моль) при 25°С (для жидкой В.). Реакция 2Н2 + О2 = = 2Н2О до температуры 300°С идёт крайне медленно, при 550°С - со взрывом. Присутствие катализатора (например, платины) позволяет реакции идти при обычной температуре. Спокойное горение водорода в кислороде, как и взрывное взаимодействие,- это цепные реакции, идущие с участием радикалов свободных.

 

Химические  свойства воды.

О химических свойствах воды можно  написать немало, но я обойдусь лишь их кратким перечислением и описанием.

Кислотно-основные свойства.

1)Слабый электролит (плохо проводит электричество.

Впрочем, это зависит от количества примесей):

 

H2O = H+ + OH-

 

2) Вода - амфотерное вещество. Она реагирует как с основными оксидами (оксидами щелочных и щелочноземельных металлов), так и с кислотными оксидами (кроме SiO2).

 

Li2O + H2O = 2LiOH

MgO + H2O = Mg(OH)2

SO3 + H2O = H2SO4

 

3) Гидролиз некоторых солей приводит к их полному разложению:

Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2S­

Al2(CO3)3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2O + 3CO2

 

4) Вода разлагает гидриды, фосфиды, карбиды, нитриды и некоторые другие бинарные соединения активных металлов с неметаллами:

CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2­

Ca3P2 + 6H2O = 3Ca(OH)2 + 2PH3­

CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2­

Ca3N2 + 6H2O = 3Ca(OH)2 + 2NH3

 

5) Молекулы воды с некоторыми солями дают кристаллогидраты(кристаллы включающие молекулы воды):

 

CuSO4(белый) + 5H2O = CuSO4 5H2O(синий)

Окислительно-восстановительные свойства.

 

6) С активными металлами (стоящими в ряду напряжений металлов до Mg включительно) образуется щёлочь и водород, а с металлами средней активности (стоящими в ряду напряжений металлов от Mg до Pb) - оксид и водород:

 

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2­

Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2­

3Fe + 4H2O =t°= Fe3O4 + 4H2

 

7) С галогенами(Астат,йод,унунсептий,фтор,хлор)продукты различны:

 

4F2 + 3H2O = OF2+ 6HF + O2­

Cl2 + H2O = HClO + HCl

8) Особая реакция воды – синтез растениями крахмала (C6H10O5)n и других подобных соединений (углеводов), происходящая с выделением кислорода:

 

6n CO2 + 5n H2O = (C6H10O5)n + 6n O2 (при действии  света)

 

 

Применение  Воды.

 

 

Вода применяется:

• В жизни растений и животных (вода для орошения полей)
• Как растворитель в разных отраслях народного хозяйства
• В быту
• Теплоноситель- системах охлаждения и отопления
• В паровых турбинах
• Спорт(Многие вида спорта проходят на водных поверхностях, на льду, на снегу и даже в воде. Это подводное плавание, хоккей, лодочные виды спорта, биатлон и пр.)
• Как инструмент(инструмент для разрыхления, раскалывания и даже резки пород и материалов)
• Азотосодержащие минеральные удобрения
• Для получения оснований
• Для получения кислот
• Для получения органических веществ (спирта, уксусной кислоты и др.)
• Для получения водорода
• Соляная кислота НCl
• Аммиак
• Азотная кислота
• Для получения электричества

 

Также, говоря о применении воды, считаю необходимым вспомнить то,что немалая часть живых организмов состоит из воды.

 

Содержание воды в различных  живых организмах, их органах и тканях.

 

 

 

Список использовавшейся литературы:

1. Журнал "Наука в России" в  2002 году (т.4, стр. 4-11, или http://www.kosmofizika.ru/popular/bmk.htm )

2. The Mouse That Roared: Pipsqueak Star Unleashes Monster Flare (Мышь с голосом лошади: маленькая звезда "сорвалась с цепи" вспыхнув необычайно ярко, Интернет-журнал НАСА, http://www.nasa.gov/centers/goddard/news/topstory/2008/pipsqueak_star.html )

3.Егоров А.С. Репетитор по химии

4.Живая вода г.С-Петербург, 2006-2009(http://www.wateroflive.ru/swater.php)

5. Михаил Ахманов - Вода, которую мы пьем http://lib.rus.ec/b/107814/read#t2

6.Фюрон Р., Основы общей химии,  т. 1,  1965; Проблемы воды на земном  шаре; Круговорот воды, М., 1966;

7.Паундер Э., Физика льда, пер.  с англ., М., 1967;

8.Самойлов О. Я., Структура водных растворов электролитов и гидратация

ионов, 1957; 1959;

 Краткая химическая энциклопедия, т. 1, 1961, с. 605-14.

9Больщая Советская Энциклопедия!!!

Белгородский Государственный  Университет 

Белгород 2009